Исследование полосы преобразования терагерцовых смесителей на эффекте электронного разогрева в NbZr, NbN и в одиночном гетеропереходе AlGaAs/GaAs тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

Смирнов Андрей Владимирович

Исследование полосы преобразования терагерцовых смесителей на эффекте электронного разогрева в ]ЧЬ2г, и в одиночном гетеропереходе АЮаАв/СаАв

Специальность 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва-2009

003476434

Работа выполнена в Московском педагогическом государственном университете на кафедре общей и экспериментальной физики факультета физики и информационных технологий

доктор физико-математических наук, профессор

Гольцман Григорий Наумович

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник

Овсянников Геннадий Александрович

доктор физико-математических наук, доцент

Корнев Виктор Константинович

Ведущая организация: Институт прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород

Защита состоится « 12. » 0 2009 г. в «. к- _» на заседании

диссертационного совета Д 212.1^4.22 при Московском педагогическом государственном университете по адресу: 119435, Москва, ул. Малая Пироговская, д.29, ауд.ЗО.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского педагогического государственного университета по адресу: 119992, Москва, ул. Малая Пироговская, д.1.

Автореферат разослан « > » ееитл^я, 2009 года.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Учёный секретарь диссертационного совета

уЯя^— Ильин В.А. ^ ■ ^ -

Общая характеристика работы

Диссертация посвящена экспериментальному исследованию полосы преобразования терагерцовых смесителей на основе сверхпроводящих пленок и 1ЧЫЧ, что включает в себя исследование времен энергетической релаксации в новом материале 1ЧЬ2г и исследование влияния на полосу преобразования электронно-разогревных смесителей частоты гетеродина, сопоставление полученных результатов ее измерения с существующими на сегодняшний день болометрическими моделями, позволяющими описывать физику процессов в данных структурах. А также разработке, созданию и исследованию полосы преобразования, требуемой мощности гетеродина и потерь преобразования смесителей на основе разогрева двумерного электронного газа в гетероструктуре АЮаАв/ОаАз.

Актуальность темы исследования

Освоение терагерцового и субтерагерцового частотных диапазонов, с частотами соответственно 1 ТГц < Г < 10 ТГц и 100 ГГц < 5 < 1 ТТц, относится к наиболее актуальным задачам современной радиофизики и техники. Причиной тому стали как практические задачи современной наноэлектроники, радиосвязи, экологии и медицины, так и фундаментальные проблемы астрофизики, физики конденсированных сред, химии и биологии.

По мере развития радиоастрономии и терагерцовых технологий появилась возможность проводить астрономические измерения в терагерцовом диапазоне. Многие молекулярные соединения, важные для астрофизических процессов и планетарных наук, имеют четко выраженные вращательные или колебательные, испускательные или поглощательные линии в ТГц диапазоне частот, для наблюдения которых наиболее адекватным инструментом является гетеродинный приемник, обладающий высоким спектральным разрешением [1]. Спектроскопия в ТГц диапазоне при помощи гетеродинных приемников является одним из основных методов изучения процессов формирования звезд и планет.

Помимо радиоастрономии наблюдения в ТГц и суб-ТГц диапазонах также представляют интерес для дистанционного зондирования земной атмосферы, который растет в связи с увеличением экологических проблем, таких как загрязнение атмосферы промышленными выбросами и разрушение озонового слоя атмосферы Земли [2].

До сих пор терагерцовый или другими словами дальний инфракрасный диапазон длин волн, от 50 мкм до 1 мм, - это мало исследованная часть электромагнитного спектра. С одной стороны, причиной тому служит технологическая сложность разработки и создания такого рода приборов. С другой стороны, наблюдения с поверхности Земли позволяют получить лишь малую часть всего объема полезной информации, так как электромагнитные волны инфракрасного диапазона хорошо поглощаются водяным паром,

молекулами углекислого газа, озоном и другими молекулами, содержащимися в нижних слоях атмосферы. В ходе решения этой проблемы появлялись, продолжают использоваться и создаются различные баллонные -самолетные - и спутниковые платформы в основном для работы в области ближнего инфракрасного излучения [3,4, 5].

Развитие приемных элементов для терагерцового диапазона происходит быстрее, чем развитие в области разработки и создания источников терагерцового излучения, хотя в последнее время и здесь наметился прогресс. Причем действительный интерес представляют не только рекордные параметры этих приборов, но и фундаментальные исследования природы физических процессов в используемых материалах.

Для повышения чувствительности измерений на частотах выше 100 ГГц, где отсутствуют малошумящие усилители, используют гетеродинный приемник с высоким спектральным разрешением. Одним из основных элементов такого приемника является нелинейный элемент - смеситель, который смешивает слабое сигнальное излучение, улавливаемое антенной, с излучением гетеродина, работающего на близкой частоте. На выходе смесителя образуется сигнал на разностной частоте, который можно легко зарегистрировать после усиления малошумящим усилителем.

Исследования в области сверхпроводимости, в частности исследование эффекта электронного разогрева в тонких сверхпроводниковых пленках в середине 80-х годов, привело к созданию в 90-е годы нового класса приборов - сверхпроводниковых болометров на горячих электронах, в международной литературе обозначаемых как НЕВ (hot-electron bolometers) [б].

Наряду с появлением в начале 90-х годов сверхпроводниковых НЕВ смесителей был предложен еще один тип НЕВ смесителей, отличающихся от первых типом используемых материалов. Это смесители ТГц и суб-ТГц диапазона волн на эффекте разогрева двумерного электронного газа (2DEG) в полупроводниковых гетероструктурах AlGaAs/GaAs, предложенные в [7, 8]. Электроны в таких гетероструктурах, как AlGaAs/GaAs, относительно слабо связаны с фононами, поэтому даже для малых рассеиваемых мощностей наблюдается эффект электронного разогрева, играющий важную роль в механизме детектирования ТГц излучения. Такие параметры гетероструктуры AlGaAs/GaAs, как высокая подвижность носителей и ее зависимость от температуры, позволяют реализовывать на ее основе смесители, работающие при температуре жидкого азота - 77 К и выше. Охлаждение смесителя до этого уровня температур может легко осуществляться при помощи компактных криогенных машин. Основными достоинствами такого типа смесителей являются относительно высокая рабочая температура и широкая полоса преобразования (до 20 ГГц для диффузионного механизма охлаждения и до 37 ГГц для баллистического [9, 10]).

В настоящее время многие проекты субмиллиметровой супергетеродинной радиоастрономии и зондирования атмосферы в терагерцовом диапазоне основаны на СИС смесителях, диодах Шоттки и на сверхпроводниковых HEB смесителях. Каждый из представленных типов смесителей обеспечивает работу в том или ином диапазоне частот, где его характеристики существенно лучше, чем у остальных.

Благодаря сильной температурной зависимости сопротивления в условиях перехода в сверхпроводящее состояние HEB смесители обладают очень высокой чувствительностью. За прошедшие годы технология этих смесителей значительно продвинулась вперед и на сегодняшний день они обладают наилучшими характеристиками и не имеют аналогов на частотах выше 1.2 ТГц. Низкая шумовая температура (950 К на частоте гетеродина 2.5 ТГц [11]), измеренная в двухполосном режиме, и низкая требуемая мощность гетеродина (десятки нановатт - единицы микроватт) определяют HEB смесители, как единственный приемлемый тип для использования в современных радиоастрономических проектах на терагерцовых частотах.

Эффект электронного разогрева в тонких разупорядоченных сверхпроводниковых металлических пленках обладает двумя очень важными свойствами: коэффициент поглощения не зависит от частоты вплоть до видимого диапазона частот и время энергетической релаксации электронов в таких структурах очень мало (для пленок NbN ~10'п с). Это позволяет реализовать смесители с полосой промежуточных частот более 10 ГГц [12], а также их работу на более высоких частотах гетеродина, чем разработанные к настоящему времени.

Наиболее перспективным и исследованным сверхпроводниковым материалом, используемым для изготовления HEB смесителей к моменту начала работы над диссертацией, являлся NbN. Главным его достоинством является малое время электрон-фононного взаимодействия ~ 15 пс при температуре порядка 10 К, что в свою очередь соответствует полосе ПЧ 10.6 ГГц. Однако полоса преобразования, достигнутая для NbN смесителей с фононным каналом охлаждения к моменту начала работы над диссертацией, составляла 4.5 ГГц для плёнок толщиной 3.5-4 нм, осаждённых на подложку из кристаллического MgO [13]. Многие международные проекты, уже находящиеся на стадии реализации, предполагают использование сверхпроводящих смесителей на электронном разогреве в приёмниках наиболее высокочастотных каналов. Вместе с тем, в ряде современных проектов, находящихся на стадии разработки и направленных на радиоастрономические исследования с космическим базированием, к смесителям уже предъявлены требования, для реализации которых необходимо приложить значительные усилия в их разработке и оптимизации. Одним из наиболее значимых требований является широкая полоса преобразования (более 6 ГГц) при низкой шумовой температуре, превышающей не более чем в несколько раз квантовый предел.

Актуальным в этой связи является поиск других сверхпроводниковых материалов демонстрирующих неравновесный отклик с постоянной времени пикосекундного диапазона. Этот поиск - длительный и трудоёмкий процесс, поскольку разработка процесса осаждения тонких сверхпроводящих плёнок требует значительных временных и материальных затрат. Перспективными материалами для разработки НЕВ смесителей представляются сверхпроводящие материалы и их сплавы с достаточно высокой критической температурой (такие как №эзОе, МЪ3А1 и др. с критической температурой до 20 К) и способные осаждаться в тонких сверхпроводящих пленках. Априори, невозможно указать на какой-либо сверхпроводник, который впоследствии окажется удачным с точки зрения технических применений; в частности одновременное выполнение всех условий для реализации широкой полосы преобразования может наблюдаться далеко не всегда. Весьма перспективным материалом является М^г, имеющий довольно высокую критическую температуру в объеме (около 11 К), при этом он имеет весьма хорошие механические свойства и устойчив к воздействию окружающей среды.

Проанализировав существующие технологии, приходим к выводу, что разработка, создание и оптимизация широкополосных НЕВ смесителей и гетеродинных приемников ТГц диапазона на их основе для радиоастрономических проектов, мониторинга атмосферы Земли и других практических приложений, необходимость исследования процессов релаксации в новых сверхпроводниковых материалах и в двумерном электронном газе гетероструктуры АЮаАз/ОаАэ при температуре 77 К, вызванная возможностью разработки новых типов ТГц смесителей является, несомненно, актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является исследование времени энергетической релаксации в тонких сверхпроводящих пленках №>2г и оценка перспективности материала ЫЬ2г в качестве нового для разработки НЕВ смесителей ТГц диапазона, исследование зависимостей полосы ПЧ для квазиоптических ЫЪИ смесителей от частоты гетеродина (для частот 0.3 ТГц и 2.5 ТГц) и сопоставление экспериментальных результатов с выводами существующих болометрических моделей, описывающих физику процессов в НЕВ смесителях, а также разработка и создание смесителей на основе разогрева 2БЕС в гетероструктуре АЮаАзЛЗаАБ и исследование полосы ПЧ, требуемой мощности гетеродина и потерь преобразования.

В качестве объекта исследования были выбраны узкие и тонкие мостики, изготовленные из сверхпроводниковой пленки осажденной на подложки из сапфира с различной кристаллографической ориентацией, гетероструктуры АЮаАзЛЗаАБ с двумерным электронным газом, квазиоптические смесители, изготовленные из пленок ЫЬИ толщиной 4.5 нм, осажденные на подложки из сапфира.

Для достижения целей работы решались следующие задачи:

> В условиях однородного электронного разогрева исследовать зависимость полосы преобразования для узких и тонких мостиков из ЫЬ7г.

> Исследовать полосу преобразования квазиоптических №>И смесителей толщиной 4.5 нм на разных частотах гетеродина и в разных рабочих точках.

> Исследовать полосу преобразования квазиоптических смесителей на основе 2БЕО в гетероструктуре АЮаАз/ОаАБ.

> Исследовать зависимость потерь преобразования смесителя на основе 2БЕО в гетероструктуре АЮаАБ/ОаАз от подвижности двумерных электронов.

Исследовать зависимость требуемой мощности гетеродина для смесителя на основе 2БЕО в гетероструктуре АЮаАзЛЗаАз от концентрации двумерных электронов.

В процессе работы были получены новые научные результаты:

> Проведено исследование времени остывания горячих электронов в НЕВ смесителях на основе пленки NbZr от ее толщины. Показано, что оно пропорционально толщине пленки, что свидетельствует о том, что это время в тонких пленках №>2г ограниченно временем ухода неравновесных фононов в подложку.

> Показано, что полоса преобразования для квазиоптических МЪК НЕВ смесителей наиболее точно описывается моделью неоднородного электронного разогрева и что она увеличивается на низких частотах гетеродина благодаря росту относительного вклада в механизм смешения механизма прямого взаимодействия магнитных вихрей с электрическим полем, создаваемым сигнальным и гетеродинным излучением.

> При помощи прямых измерений времени электрон-фононной релаксации в 2БЕО гетероструктуры АЮаАз/ОаАБ получено значение времени жизни оптического фонона при температуре электронного газа 100-120 К.

> Исследована зависимость потерь преобразования смесителя на основе гетероструктуры АЮаАз/ОаАз от подвижности двумерных электронов.

> Исследована зависимость требуемой мощности гетеродина смесителя на основе гетероструктуры АЮаАэ/СаАз от концентрации двумерных электронов.

В настоящей работе сформулированы и выносятся на защиту следующие положения:

> Значения полосы преобразования для мостиков №>2г размером 10x1 мкм2 и толщинами 10, 20 и 30 нм, осажденных на сапфировую подложку в условиях однородного электронного разогрева, составили 450, 230 и 120 МГц, соответственно. Показано, что полоса преобразования в данном случае пропорциональна толщине пленки и

определяется временем ухода неравновесных фононов в подложку, значения которого составили 0.35, 0.69 и 1.3нс.

> Полоса преобразования смесителя с фононным каналом охлаждения на основе гетероперехода AlGaAs/GaAs с концентрацией двумерных электронов 2.7 -г- 3.5x10й см"2 составляет 4.5±0.5 ГГц при Т=77 К.

> Время жизни оптического фонона в гетероструктуре AlGaAs/GaAs при температуре кристаллической решетки 77 К и температуре электронного газа 100 + 120 К составляет т£о=4.5±0.8 пс.

> Модель неоднородного электронного разогрева наиболее точно по сравнению с другими существующими болометрическими моделями (Перрин-Ваннесте, Карасик-Елантьев, Небосис-Семенов-Гусев-Ренк) описывает экспериментальные результаты измерения полосы ПЧ для NbN HEB смесителей. С уменьшением частоты гетеродина (<1 ТГц) полоса ПЧ NbN HEB смесителей увеличивается благодаря росту относительного вклада в механизм смешения механизма прямого взаимодействия магнитных вихрей с электрическим полем, создаваемым сигнальным и гетеродинным излучением.

Практическая значимость работы подтверждается использованием разрабатываемых HEB смесителей в ряде международных проектов APEX, HERSHEL, которые ориентированы на радиоастрономические наблюдения, а также проектов направленных на исследование атмосферы Земли - SOFIA, TELIS. Также значимость подтверждается разработкой новых международных радиоастрономических проектов, таких как, FIRI и МИЛЛИМЕТРОН. Полученные знания о временах энергетической релаксации в тонких сверхпроводниковых плёнках NbZr определяют перспективность дальнейшей разработки HEB смесителей на основе этого материала. Знания, полученные в результате исследования времени электрон-фононного взаимодействия в двумерном электронном газе гетероструктуры AlGaAs/GaAs, могут быть использованы при разработке различных полупроводниковых приборов на основе 2DEG. Разрабатываемые AlGaAs/GaAs смесители, работающие при 77 К, являются перспективными для использования в приборах ТГц тепловидения и инструментах ТГц радиоастрономии.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на следующих российских и международных научных конференциях и симпозиумах:

- Международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (Москва, 2004)

- 7-я Российская конференция по физике полупроводников (Звенигород, 2005)

- Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005» (Москва, 2005)

- 17, 18 и 19-ом международном симпозиуме по космическим терагерцо-вым технологиям (Франция, США и Голландия, 2006,2007 и 2008)

- 4-ой международной конференции «Антенны, радары и распространение радиоволн» (Канада, 2007)

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 10 публикациях, список которых приведён в конце автореферата.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка публикаций автора и списка литературы. Объём работы составляет 139 страниц, включая 35 рисунков и 4 таблицы. Список литературы состоит из 143 наименований источников.

Основное содержание работы

Введение посвящено краткому обзору развития и сегодняшнего состояния приемников ТГц диапазона частот для радиоастрономии и других приложений, обосновывается актуальность темы исследования. Показана научная новизна и практическая значимость диссертационного исследования, сформированы цели работы. Кратко приводятся содержание работы и основные полученные результаты.

Глава 1. Теоретическое обоснование и обзор литературы В первой главе сделан обзор литературы по существующим технологиям смесителей ТГц диапазона. Проведен обзор по полупроводниковым смесителям на основе диодов с барьером Шоттки и на основе туннельных СИС переходов. Выявлено, что в качестве смесителей для приемников, рассчитанных для работы на частотах от 100 ГГц и до нескольких ТГц, до недавних пор, находили применение гетеродинные приемники со смесителями на диодах с барьером Шоттки (ДБШ). Главным их достоинством является то, что они могут работать в широком интервале температур, включая комнатную. Их чувствительность, на частотах менее 1 ТГц, уступает чувствительности СИС смесителей, но при увеличении постоянной времени наблюдения, что не всегда приемлемо для наблюдений, добиваются необходимых значений отношения сигнал/шум. Недостатком является большая мощность гетеродина, требующаяся для накачки ДБШ смесителей (порядка нескольких милливатт), что является труднодостижимой задачей в ТГц диапазоне частот из-за отсутствия достаточно мощных перестраиваемых источников излучения.

Значительный прогресс был достигнут с разработкой и созданием малошумящего смесителя на основе туннельного перехода сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник, так называемого СИС смесителя [14]. Шумовая температура таких приемников всего в несколько раз превышает квантовый предел, но резко возрастает на частотах выше характеристической частоты щели используемого сверхпроводника. Это накладывает ограничение на область практического применения приемников основанных на СИС смеси-

телях. Максимальная частота, на которой работают СИС смесители, на сегодняшний день, составляет 1.4 ТГц [15].

Обсуждаются теоретические модели, объясняющие возникновение резистивного состояния в сверхпроводящих пленках в условиях протекания электрического тока. Сделан обзор теоретических работ по смесителям на горячих электронах с фононным каналом охлаждения. Рассмотрен эффект электронного разогрева в полупроводниках. Проведен обзор смесителей с фононным и диффузионным механизмом охлаждения 2DEG в гетероструктуре AlGaAs/GaAs. Сделан обзор различных схем согласования HEB смесителей с высокочастотным излучением. В заключении обосновывается выбор объекта исследования, и формулируются задачи диссертационной работы.

Глава 2. Исследуемые образцы, экспериментальные установки и методики измерений

Данная глава посвящена описанию технологии изготовления HEB смесителей на основе тонких пленок NbN и на основе 2DEG гетероструктуры AlGaAs/GaAs, а также микромостиков NbZr. В ней также рассматриваются методический аспект проведенных в работе экспериментов и описание используемых экспериментальных установок. В §2.1 кратко описана технология получения HEB смесителей на основе тонкой сверхпроводниковой пленки NbN и микромостиков NbZr, приведены характеристики образцов. В §2.2 рассмотрен технологический маршрут изготовления смесителей на основе 2DEG в гетероструктуре AlGaAs/GaAs. В §2.3 рассмотрены методы измерения характеристик 2D газа, а также методики измерений полосы преобразования смесителей на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs при температуре 77 К и описание схемы и установки эксперимента. В §2.4 описана схема установки и методика проведения измерений по исследованию полосы ПЧ микромостиков на основе сверхпроводящих пленок NbZr. В §2.5 уделено внимание описанию установки и методике проведения измерений по исследованию полосы преобразования смесителей на основе сверхпроводящих пленок NbN.

Глава 3. Полоса преобразования квазиоптических NbN смесителей и микромостиков NbZr

Данная глава посвящена результатам исследований частотных характеристик HEB смесителей на основе плёнок NbN и микромостиков NbZr, нанесенных на подложки из сапфира.

В § 3.1 описаны результаты измерений NbZr микромостиков на частотах гетеродина вблизи 130 ГГц в смесительном режиме вблизи критической температуры.

На рис. 1 представлены результаты измерения полосы преобразования микромостиков, основанных на сверхпроводниковой пленке NbZr различной толщины: 10 нм, 20 нм и 50 нм. В рамках модели однородного электронного

разогрева зависимость выходной мощности P(fip) НЕВ смесителя от промежуточной частоты fa выглядит как:

Ptf(/;f) = jP(0)/(l + (/;F//3rf8)2)J (1)

где Р(0) - мощность на выходе смесителя при нулевом значении fa, /¡¿в -частота, на которой выходная мощность спадает на 3 дБ. Сплошными линиями на рис. 1 показаны результаты аппроксимации данных, полученных в наших экспериментах при помощи теоретической модели, а именно, выра-

Промежуточная частота, ГГц

Рис. 1. Частотная зависимость выходной мощности Мйг микромостиков различной толщины («-10 нм, А-20 нм и и-50 нм), от промежуточной частоты. Линиями показаны теоретические кривые, метки в виде стрелок соответствуют значениям Гзав

жения (1). Стрелками указанны частоты, соответствующие ЗдБ уменьшению мощности сигнала на выходе смесителя, которые составили 0.45 ГГц, 0.23 ГГц и 0.12 ГГц для мостиков с толщинами 10 нм, 20 нм и 50 нм, соответственно. Время энергетической релаксации болометра можно определить из следующего выражения:

т,=1/2я-Г1а. (2)

Из полученных значений /¡¡¡в мы можем оценить времена энергетической релаксации, которые составляют 350 пс, 690 пс и 1.3 нс для болометров толщиной 10 нм, 20 нм и 50 нм, соответственно. Таким образом, время энергетической релаксации для болометра на основе №>Ег пропорционально толщине пленки из которой он изготовлен. Известно, что скорость передачи тепла из пленки в подложку определяется временем уходом неравновесных

фононов т„, которое определяется как функция толщины пленки с1, скорости звука и и коэффициента прозрачности ц/\

ги=4-<//(//-и (3)

Полученные нами экспериментальные данные свидетельствуют о том, что полоса ПЧ для микромостиков на основе пленки ЫЬгг ограниченна временем ухода неравновесных фононов в подложку, что с согласуется с выражением

(3).

В § 3.2 обсуждаются результаты исследований частотных характеристик отклика ЫЬЫ смесителей на излучение с частотой гетеродина 0.3 ТГц, 0.6 ТГц и 2.5 ТГц.

График зависимости относительного коэффициента преобразования, измеренного в оптимальной рабочей точке смесителя на частоте 2.5 ТГц, представлен на рис. 2. Мы использовали две различные методики измерения: смешение двух когерентных источников с близкими частотами один из которых является источником сигнала, а другой - гетеродином и радиометрический метод, когда излучение гетеродина подавалось на болометр, а его отклик на промежуточной частоте на переменную горячую и холодную нагрузку регистрировался с помощью селективного вольтметра. Видно, что обе методики измерения коэффициента преобразования демонстрируют результаты, которые совпадают в полосе частот 0.5 - 2 ГГц,

0,1 0,2 0,4 0,60,81 2 4 6 8 Промежуточная частота, ГГц

Рис. 2. Относительный коэффициент преобразования ЫЬИ НЕВ смесителя, измеренный на частоте 2.5ТГц с помощью радиометрической методики (КМ) и путем смешения двух когерентных источников (С>СЬ - квантово-каскадного лазера и газового лазера - вЬ). Остальные линии показывают относительный коэффициент усиления, вычисленный в рамках различных болометрических моделей (Ш, РУ, КЕ, N801)

где эти методики пересекаются. Мы получили частоту среза Fo по уровню 3 дБ, используя аппроксимацию наших экспериментальных данных зависимостью: G(F) = 1/(1+(F/F0)2), где F- промежуточная частота.

Для сравнения результатов измерения коэффициента преобразования NbN НЕВ смесителей, с результатами прогнозируемыми различными моделями для смесителей: Perrin-Vanneste (PV) [16], Karasik-Elantiev (ВСЕ) [17], Nebosis-Semenov-Gousev-Renk (NSGR) [18] и моделью неоднородного электронного разогрева или «горячего пятна» Hot-Spot (HS) [19, 20], можно подставить экспериментальные данные рис. 2 в каждую из этих моделей. В результате полоса ГШ в модели неоднородного электронного разогрева (HS) наиболее точно соответствует данным полученным в эксперименте (сплошная линия на рис. 2).

Спад частоты, как функция тока смещения для частот 2.5 и 0.3 ТГц, представлен графически на рис. 3. Эти результаты были получены для одного и того же смесителя, изменялась только рабочая частота гетеродина. Из графика видно, что экспериментальная полоса ПЧ достигает минимума при токе смещения около 24 мкА для всех частот гетеродина. Полученное среднее значение ширины полосы частот достаточно хорошо соответствует ширине полосы около 3.7 ГГц, полученной для NbN смесителя толщиной 3 -5 нм на сапфировой подложке [21].

¿f 4,0

о л

* 3,0

гк ш

X

0 2,5

1 2,0

о а. С

Рис. 3. Полоса промежуточных частот НЕВ смесителя, измеренная для частоты гетеродина 2.5 ТГц (Д) и 0.3 ТГц (•) при разных уровнях его мощности. Сплошная линия показывает полосу промежуточных частот, вычисленную в рамках модели НБ и пунктирная линия в рамках модели ЫЭОЯ

Измеренная нами полоса ПЧ на частоте гетеродина 0.3 и 0.6 ТГц совпала в пределах экспериментальной точности в обоих случаях. Значение ширины полосы ПЧ на частоте 0.3 ТГц (рис. 4) систематически превышает ее значение, измеренное на частоте 2.5 ТГц (рис. 2). Эта разность уменьшается с увеличением мощности гетеродина, но, по существу, остается достаточно большой по сравнению с погрешностью полосовых измерений.

ft

1п\ и и

-л

v ,

15 18 20 23 25 28

Ток, иА

Хотя модель неоднородного электронного разогрева дает качественное объяснение для зависимости между током и шириной полосы ПЧ, в тоже время ни одна из болометрических моделей не дает даже качественного объяснения изменению ширины полосы ПЧ при изменении частоты гетеродина. Этот факт наиболее наглядно показывает, что существует дополнительный неболометрический механизм смешения, который существенно

Рис. 4. Относительный коэффициент преобразования МЯЧ НЕВ смесителя, измеренный на частоте 0.3 ТГц в разных рабочих точках

проявляется только на суб-ТГц частотах гетеродина. Подобное увеличение ширины полосы ПЧ на низких частотах гетеродина наблюдалось для микромостиков из высокотемпературной сверхпроводниковой пленки [22]. Данный эффект был приписан прямому взаимодействию электромагнитного поля с магнитными вихрями. Мы предполагаем, что в нашем смесителе кроме свободных вихрей также присутствуют и пары вихрь-антивихрь (УАРэ). Когда смеситель находится в рабочей точке, то вихри в основном располагаются вне нормального домена в сверхпроводящей области болометра. При этом они участвуют как в болометрическом отклике на излучение [23], так и составляют основу для неболометрического механизма смешения. Также мы предполагаем, что колебания пар вихрь-антивихрь являются следствием осцилляций электрического поля создаваемого сигнальным и гетеродинным излучением. В этом случае периодическое движение вихрей поперек направления течения электрического тока промежуточной частоты произведет напряжение переменного тока той же фазы, что и болометрический отклик на частоту гетеродина у^с^к/ц [24], где к и г] есть коэффициент упругости пар вихрь-антивихрь и коэффициент вязкого трения для потока вихрей.

Неболометрический вклад "вихревого" механизма смешения, по нашим оценкам, должен обращаться в 0 на частотах гетеродина V >1 ТГц. Эти оценки качественно согласуются с нашими экспериментальными результатами наблюдения неболометрического вклада на частотах 0.3 и 0.6 ТГц. На данном этапе мы не можем оценить величину неболометрического вклада в результирующую эффективность смешения, поскольку это требует от нас знания пространственной плотности ограниченных вихревых пар и размера области нормального домена, что пока является сложной задачей.

В § 3.3 представлены основные выводы главы.

Глава 4. Исследование характеристик квазиоптических смесителей на основе разогрева 2Б газа в гетероструктуре АЮаАв/СаАв при температуре 77 К

Данная глава посвящена результатам исследования характеристик квазиоптических смесителей на основе 20 газа в гетероструктурах АЮаАзЛЗаАз при температуре 77 К. В начале главы рассмотрены исследуемые структуры, показаны типичные зависимости сопротивления от температуры на постоянном токе и вольтамперные характеристики. В §4.1 рассмотрены результаты исследования смесителя с фононным каналом охлаждения, включая такие характеристики как, полоса ПЧ, потери преобразования и требуемая мощность гетеродина.

На рисунке 5 представлены экспериментальные зависимости мощности сигнала на выходе смесителей №3, №4 и №5 от промежуточной частоты Рн^я)- Эти кривые описывают частотные зависимости сигнала согласно ура-

Рис. 5. Частотные зависимости сигнала на промежуточной частоте для смесителей №3, №5 и №15 на основе 2ВЕй гетероструктуры АЮаАз/ОаАэ при температуре Т[г11 К. Линиями показаны теоретические кривые, метки в виде стрелок соответствуют значениям [¡¡¡в

-60

0,1

ю

Промежуточная частота, ГГц

внению (1). Значения составили: примерно 3.4 ГГц для смесителя №3, около 4 ГГц для смесителя №5 и 4.5 ГГц для смесителя №15. На основе ВАХ и характеристик ЩТ) для смесителей №3, №5 и №15 мы оценили значение электронной температуры Те в рабочих режимах смесителя, которое составило Ге~100 - 120 К. Найденное время жизни оптического фонона та(Я4.5±0.8 пс, что примерно в 30 раз больше, чем время спонтанного испускания оптического фонона т^окОЛвпс [25]. В таких условиях оптические фононы поглощаются электронами до того, как распадаются на низкоэнергетичные фононы, замедляя тем самым время релаксации электронов и ограничивая полосу преобразования смесителей с охлаждением на оптических фононах. Получены зависимости потерь преобразования смесителей №1 и №760 в зависимости от полной поглощенной мощности, приходящейся на один электрон, при Ть = 77 К,. Лучшее значение реализуется в области большой поглощенной мощности и области сильного электронного разогрева. Минимальное значение Ь~13 ёВ соответствует смесителю с большей подвижностью 2Т) электронного газа. Представленная зависимость также свидетельствует, что одинаковое значение коэффициента преобразования реализуется для смесителей с различной подвижностью при разной степени разогрева 21> электронного газа, и в случае смесителя с низкой подвижностью, требуется большая поглощенная мощность.

В §4.2 сформулированы основные выводы данной главы.

В заключении сформулированы основные научные результаты диссертационной работы:

> Определены времена ухода неравновесных фононов в подложку, они составляют 350 пс, 690 пс и 1.3 нс для Мйг плёнок нанесённых на подложки из сапфира толщиной 10 нм, 20 нм и 50 нм, соответственно. Плёнки МЛг имеют худшее согласование с сапфировой подложкой, чем плёнки ЫЬИ, и полоса преобразования №>2г смесителей с фононным каналом охлаждения уступает полосе преобразования смесителей.

> Показано, что модель неоднородного электронного разогрева наиболее точно, по сравнению с другими существующими болометрическими моделями, описывает экспериментальные результаты измерения полосы ПЧ для НЕВ смесителей.

> С уменьшением частоты гетеродина (<1 ТГц) полоса преобразования №>Ы НЕВ смесителей увеличивается благодаря росту относительного вклада в . механизм смешения механизма прямого взаимодействия магнитных вихрей с электрическим полем, создаваемым сигнальным и гетеродинным излучением.

> Исследована полоса ПЧ для смесителя с фононным каналом охлаждения 20 газа в гетероструктуре АЮаАзЛлаАз. Значения полосы преобразования смесителей составили 3.5 - 4.5 ГГц при Т=77 К.

> Экспериментально определено время жизни оптического фонона, которое составило тао=4.5±0.8 пс при температуре электронного газа Ге=100- 120 К. В режиме охлаждения горячих электронов на оптических фононах полоса преобразования смесителей на основе гетероструктур АЮаАзЛЗаАБ ограничена перепоглащением оптических фононов электронами.

> Смесители с большой подвижностью 2И газа обладают меньшими потерями преобразования по сравнению со смесителями с меньшей подвижностью при одинаковой степени разогрева носителей. В оптимальной области температур Ю газа (77-100 К) потери преобразования смесителей составили =13 дБ.

> Оптимальная мощность гетеродинного источника, приходящаяся на 1 мкм2 площади чувствительного элемента смесителя, составляет ==200 нВт для смесителя с подвижностью /¿=2.3х105 см2/В-с, что составляет ~7.2 мкВт для смесителя с размером чувствительного элемента 3x12 мкм2, подвижностью /¿=2.3x105 см2/В-с и концентрацией носителей «,=3x10" см'2.

Основные результаты диссертации изложены в следующих работах:

1. Semenov A.D., Il'in К., Siegel М., Smirnov A.. Pavlov S., Richter H., Hiibers H.-W. Evidence of non-bolometric mixing in the bandwidth of a hot-electron bolometer // Superconductor Science and Technology. - 2006. - Vol. 19. - Pp. 1051-1056. - 0,375 п.л. (авторских 30%)

2. Semenov A.D., Richter H., Hiibers H.-W., Giinther В., Smirnov A.. Il'in K., Siegel M. and Karamarkovic J.P. Terahertz performance of integrated lens antennas with a hot-electron bolometer II IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques. - 2007. - Vol. 55(2). - Pp. 239-247. -0,562 п.л. (авторских 20%)

3. Морозов Д. В., Смирнов К. В., Смирнов А. В.. Ляхов В. А., Гольцман Г. Н. Миллиметровый/субмиллиметровый смеситель на основе разогрева двумерного электронного газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs с фононным каналом охлаждения // Физика и техника полупроводников. - 2005. - Т. 39, вып. 9. - С. 1117-1121. - 0,312 п.л. (авторских 30%)

4. Semenov A., Richter Н., Bdttger U., Smirnov A.. HUbers H.-W. Imaging THz radar for security applications // Proceeding of the 4,h Int. Conference Antennas, Radar and Wave Propagation. - Montreal, Canada: 2007. - Pp. 63-68.-0,375 п.л. (авторских 15%)

5. Semenov A.D., Il'in K„ Siegel M., Smirnov A.. Pavlov S., Richter H., Hiibers H.-W. Intermediate frequency bandwidth of a hot-electron mixer: comparison with bolometric models // Proceeding of 17th International Symposium on

Space Terahertz Technology. - Paris, France: 2006. - Pp. 73-76. - 0,25 п.л. (авторских 30%)

6. Морозов Д.В., Смирнов КВ., Смирнов А.В.. Ляхов В.А., Голъцман Г.Н. ММ/СММ смеситель на основе 2D электронов в гетероструктуре AlGaAs/GaAs // VII Российская конференция по физике полупроводников.

- Звенигород, Россия: 2005. - С. 214. - 0,125 п.л. (авторских 30%)

7. Smirnov А. V.. Larionov Р.А., Finkel M.I., Maslennikov S.N., Voronov B.M., Gol'tsman G.N. NbZr films for THz phonon-cooled HEB mixers // Proceeding of International Symposium on Space Terahertz Technology.

- Groningen, The Netherlands: 2008. - Pp. 44-47. - 0,25 п.л. (авторских 50%)

8. Semenov A., Richter H., Smirnov A.. Gunther В., Htibers H.-W., II'in K„ Siegel M„ Gol'tsman G„ Drakinskiy V., Merkel H. and Karamarkovic J. Development of HEB mixers for GREAT and for security screening // Proceeding of 18th International Symposium on Space Terahertz Technology. -Pasadena, USA: 2007. - Pp. 184.-0,06 п.л. (авторских 10%)

9. Ляхов B.A., Смирнов А.В.. Морозов Д.В., Смирнов КВ., Голъцман Г.Н. Миллиметровый/субмиллиметровый смеситель на основе разогрева двумерных электронов в гетероструктуре AlGaAs/GaAs // Материалы международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения». - Москва: 2004. - Ч. 1.

- С. 259. - 0,125 п.л. (авторских 30%)

10. Смирнов А.В.. Морозов Д.В. и Ляхов В.А. Смеситель ММ/СММ диапазона на основе разогрева 2D электронного газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs // Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005». — Москва: 2005. - Т. 2. - С. 32-34. - 0,187 п.л. (авторских 40%)

Литература

[1] Roser Н.-Р. Heterodyne spectroscopy for submillimeter and far-Infrared wavelengths from ЮОцт to 500цт // Infrared Phys. - 1991. - Pp. 385407.

[2] Siegel P.H. Terahertz technology II IEEE Trans. MTT. - 2002. - Vol. 50, no. 3.-Pp. 910-928.

[3] SOFIA - Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy. - Internet page. - 2008. http://www.sofia.usra.edu.

[4] 550-650 GHz spectrometer development for TELIS / P.A. Yagoubov, W.-J. Vreeling, H. van de Stadt, R.W.M. Hoogeveen, O.V. Koryukin, V.P. Koshelets, O.M. Pylypenko and A. Murk // Proc. of 16th int. symp. on space terahertz technology. - Chalmers, Sweden: 2005. - Pp. 438-443.

[5] Проект Миллиметрон. - Страница в Интернете. - 2008. http://www.asc.rssi.ru/millimetron/rus/millim.htm.

[6] Смеситель миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн на основе разогрева электронов в резистивном состоянии сверхпроводниковых пленок / Е.М. Гершензон, Г.Н. Гольцман, И.Г. Гогидзе, Ю.П. Гусев, А.И. Елантьев, Б.С. Карасик, А.Д. Семенов // Сверхпроводимость: физика, химия, техника. - 1990. - №3. - С. 1711.

[7] Wide-bandwidth electron bolometric mixers: a 2DEG prototype and potential for low-noise THz receivers / J.-X. Yang, F. Agah, D. Dai, C.F. Musante, W. Grammer, K.M. Lau, K.S. Yngvesson // IEEE Trans. Microvawe Theory Techniques. - 1993. - Vol. 41. - Pp. 581-589.

[8] Microwave mixing and noise in the two-dimensional electron gas medium at low temperatures / J.X. Yang, J. Li, C.F. Musante and K.S. Yngvesson // Appl. Phys. Lett. - 1995. - Vol. 65. - Pp. 581-589.

[9] Wide bandwidth millimeter wave mixer using a diffusion cooled two-dimensional electron gas / M. Lee, L.N. Pfeiffer, K.W. West and K.W. BaldwinIIAppl. Phys. Lett. -2001. - Vol. 78(19).-Pp. 2888-2890.

[10] Lee M., Pfeffer L. N., West K.W. Ballistic cooling in a wideband two-dimensional electron gas bolometric mixer // Appl. Phys. Lett. - 2002. -Vol. 81(7).-P. 1243.

[11] Doubling of sensitivity and bandwidth in phonon cooled hot electron bolometer mixers / J.J. A Baselmans, M. Hajenius, J. Gao, P. d. Korte, T.M. Klapwijk, B. Voronov, G. Gol'tsman // App. Phys. Lett. - 2004. -Vol. 84 (11).-Pp. 1958-1960.

[12] Sensitive picosecond NbN detector for radiation from millimeter wavelength to visible light / G.N. Gol'tsman, A.D. Semenov, Y.P. Gousev, M.A. Zorin, I.G. Godidze, E.M. Gershenzon, P.T. Lang, W.J. Knott and K.F. Renk // Supercond Sci. Technol. - 1991. - Vol. 4. - Pp. 453-456.

[13] HEB Quasi-optical heterodyne receiver for THz frequencies / M. Kroug, S. Cherednichenko, M. Choumas, H. Merkel, E. Kollberg, H.-W. Hubers, H. Richter, D. Loudkov, B. Voronov, G. Gol'tsman // Proc. of the 12th Int.

Symp. on Space Terahertz Techn. - San Diego, California: 2000. - Pp. 4959.

[14] Quasiparticle heterodyne mixing in SIS tunnel junctions / P.L. Richards, T.M. Shen, R.E. Harris, F.L. Lloyd // Appl. Phys. Lett. - 1979. - Vol. 34. -P. 345.

[15] Low noise 1.4GHz SIS mixer for SOFIA / A. Karpov, D. Miller, J.A. Stern, B. Bumble, H.G. LeDuc, J. Zmuidzinas // Proc. of 19'h int. symp. on space terahertz technology. - Groningen, The Netherlands: 2008. - P. 68.

[16] Perrin N. and Vannes te C. Response of superconducting films to a periodic optical irradiation //Phys. Rev. B. - 1983. - Vol. 28. - Pp. 5150-5159.

[17] Karasik B.S. and Elantiev A.I. Noise Temperature limit of a Superconducting Hot Electron Bolometer Mixer // Appl. Phys. Lett. - 1996. -Vol. 68.-Pp. 853-855.

[18] Analysis of the nonequilibrium photoresponse of superconducting films to pulsed radiation by use of a two-temperature model / A.D.Semenov, R.S.Nebosis, Yu.P.Gousev, M.A.Heusinger, and K.F.Renk // Phys.Rev.B. -1995.-Vol. 52(1).-P. 581.

[19] Hotspot mixing: a framework for heterodyne mixing in superconducting hot electron bolometers / D.W. Floet, E. Miedema, T.M. Klapwijk, J.-R. Gao // Appl. Phys. Lett. - 1999. - Vol. 74. - P. 433.

[20] Conversion gain and fluctuation noise of phonon-cooled HEB in hot-spot model / H.F. Merkel, P. Khosropanah, D.W. Floet, P.A. Yagoubov, E.L. Kollberg //IEEE Trans, on MTT. - 2000. - Vol. 48(4). - Pp. 690-699.

[21] Large bandwidth of NbN phonon cooled hot electron bolometer mixers on sapphire substrates / S. Cherednichenko, P. Yagoubov, K. II'in, G. Gol'tsman and E. Gershenzon // Proc. 8th Int. Symp. on Space Terahertz Technology. - Cambridge, USA: 1997. - Pp. 245-257.

[22] II'in K.S. and Siegel M. Microwave mixing in microbriges made from YBa2Cu307-x thin films // J. Appl. Phys. - 2002. - Vol. 92. - Pp. 361-369.

[23] Superconducting noise bolometer for terahertz radiation / A.D. Semenov, H. Richter, H.-W. Hûbers, K. Il'in, M. Siegel //Appl. Phys. Lett. - 2005. -Vol. 87. -P.173508.

[24] Coffey M. W. and Clem J.R. Unified theory of effects of vortex pinning and flux creep upon the RF surface impedance of type-II superconductors // Phys. Rev. Lett. - 1991. - Vol. 67(3). - Pp. 386-389.

[25] Price P.J. Two-dimensional electron transport in semiconductor layers. Phonon scattering // Ann. of Physics. - 1981. - Vol. 133(2). - Pp. 217-239.

Подп. к печ. 10.07.2009 Объем 1,25 п.л. Заказ №. 159 Тир 100 экз.

Типография МШ'У

Список сокращений и условных обозначений

Введение

Глава 1. Обзор литературы и постановка задачи

Существующие технологии.

§1.1 Болометрические приемники прямого детектирования.

§1.2 Гетеродинные приемники на основе СИС и ДБШ смесителей.

§1.3 Электронный разогрев в сверхпроводниковых пленках.

§1.4 Сверхпроводниковые смесители на эффекте разогрева электронов с фононным каналом охлаждения.

§1.5 Двумерный электронный газ в гетероструктурах. Эффект электронного разогрева в полупроводниках.

§1.6 Механизмы рассеяния в полупроводниках.

§1.7 Смесители на основе эффекта электронного разогрева в полупроводниках.

§1.7.1 Смесители с фононным и диффузионным механизмами охлаждения 2D электронов в гетероструктуре AlGaAs/GaAs.

§1.8 Схемы согласования смесителей с высокочастотным излучением.

§ 1.9 Выбор объекта исследования и постановка задачи.

Глава 2. Описание исследуемых образцов и методов измерений

§2.1 Технология изготовления смесителей на основе тонких сверхпроводящих пленок NbN и NbZr.

§2.1.1 Изготовление смесителей на основе тонких пленок NbN.

§2.1.2 Изготовление смесителей на основе тонких пленок NbZr.

§2.2 Технология изготовления AlGaAs/GaAs смесителей.

§2.3 Методики измерения и описание экспериментальных установок для исследования смесителей на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs при температуре 77 К.

§2.3.1 Поверхностная концентрация носителей ns, вольтамперные характеристики и температурная зависимость сопротивления.

§2.3.2 Методика измерения полосы преобразования смесителей на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs при температуре 77К.

§2.4 Методика измерения полосы ПЧ НЕВ смесителей на основе сверхпроводящих пленок NbZr.

§2.5 Методика измерения полосы ПЧ квазиоптических NbN смесителей

Глава 3. Полоса преобразования квазиоптических НЕВ смесителей на основе сверхпроводящих пленок NbN и NbZr

§3.1 Полоса преобразования NbZr смесителей вблизи критической температуры на частоте 130ГГц.

§ 3.2 Полоса преобразования NbN смесителей. Неболометрический вклад в полосу преобразования на низких частотах гетеродина.

§3.3 Выводы.

Глава 4. Исследование характеристик квазиоптических смесителей на основе разогрева 2D газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs при температуре 77 К

§4.1 Смеситель с фононным каналом охлаждения электронов.

§4.1.1 Исследование полосы преобразования.

§4.1.2 Эффективность преобразования.

§4.1.3 Оптимальная поглощенная мощность гетеродина.

§4.2 Выводы.

Начиная с ранних времен, человечество интересовалось астрономией, люди наблюдали за небом, усеянным огромным количеством звезд. Знание звездных позиций в ранние периоды развития человечества служило для людей хорошей навигацией и календарем; кроме этих практических побуждений, ранняя астрономия была сильно переплетена с религией. Важной задачей священников-астрономов был совет монарху начинать войну или нет, читая желание богов по положению таких астрономических объектов как звезды и планеты.

В различные периоды развития человечества и культуры, типы вопросов, задаваемых астрономии, развивались и менялись множество раз. Кульминацией этого стало то, что сегодня мы надеемся найти ответы на следующие вопросы: "Как образовалась наша Вселенная и верна ли теория Большого Взрыва? Как формируются звезды и планеты? Какие условия определяют возникновение жизни? Земля - единственная ли планета, на которой существует жизнь?" Это всего лишь небольшая часть вопросов, которые продолжают мотивировать ученых заниматься дальнейшими астрономическими исследованиями.

Несколько десятилетий назад фактически все астрономические наблюдения были ограничены видимым диапазоном частот, прежде всего потому, что атмосфера Земли в значительной степени непрозрачна, за исключением нескольких частотных окон прозрачности. Однако около 97% всех фотонов, находящихся во Вселенной, соответствуют инфракрасному диапазону длин волн (300 мкм-700 нм), что, в свою очередь, на несколько порядков больше, чем видимый диапазон длин волн (700 нм - 400 нм). Доступность космоса очертила начало новой1 и захватывающей эры для астрономии, когда астрономические наблюдения могут быть расширенны в инфракрасную область. Кроме наблюдения интенсивности (прямое детектирование), легко сопоставимой с наблюдением в телескоп в видимом диапазоне, этот частотный диапазон содержит больше информации об исследуемом объекте. Таким образом, появилась радиоастрономия, раздел астрономии, в котором небесные объекты исследуются на основе наблюдений излучаемого ими электромагнитного излучения в диапазоне радиоволн (с длинами волн от долей мм до нескольких км). Наблюдения в радиодиапазоне существенно дополняют наблюдения небесных тел в коротковолновых диапазонах, таких как оптический, рентгеновский и др. Наравне со сплошным (непрерывным) спектром радиоизлучения;, обусловленным: тепловым излучением твёрдых тел (планеты и малые тела Солнечной системы);.тормозным излучением тепловых электронов (газовые туманности, атмосфера звёзд); магнитотормозным излучением тепловых электронов в космических магнитных полях (активные области на Солнце, радиогалактики, квазары) и др., обнаружено также монохроматическое излучение небесных объектов. Основными механизмами образования спектральных радиолиний этого излучения' являются квантовые переходы между различными атомными и молекулярными энергетическими уровнями.

Многие молекулярные соединения, важные для- астрофизических процессов и планетарных наук, имеют четко выраженные вращательные или колебательные, испускательные или поглощательные линии в терагерцовом (ТГц) диапазоне частот, для наблюдения которых наиболее адекватным, инструментом является гетеродинный приемник. Таким образом, при помощи гетеродинных измерений могут быть обнаружены различные молекулярные соединения вместе с детальной информацией об их скорости (Допплеровское смещение) и давлении. Гетеродинные приемники, работающие в диапазоне частот до нескольких терагерц, работают аналогично широко распространенным гетеродинным приемникам УКВ диапазона - это делает задачу создания ТГц приемников возможной и весьма актуальной на сегодняшний день.

Помимо радиоастрономии наблюдения в ТГц и суб-ТГц диапазонах с частотами 1ТГц<:Г<10ТГц и 100ГГц<f< 1 ТГц, соответственно, также представляют интерес для дистанционного зондирования земной атмосферы, который растет в связи с увеличением экологических проблем, таких как, загрязнение атмосферы промышленными выбросами и разрушение озонового слоя атмосферы Земли.

Дальний инфракрасный диапазон длин волн (FIR) - это волны с длинной волны от 50 мкм до 1 мм, что соответствует полосе частот между 300 ГГц и 6 ТГц. В этой полосе частот лежат фундаментальные линии поглощения и испускания важных атомов и молекул, а также максимум излучения межзвездного вещества с температурами, лежащими в диапазоне от 20 К до 200 К. В таблице 1 представлены излучательные и поглощательные спектральные линии некоторых атомов и молекул, расположенные в терагерцовом диапазоне частот [1].

Соединения Частота (ТГц)

С 0.809

N+ 1.461

СО 1.726

С+ 1.901

N+ 2.495

Н20 2.640 н2 2.670

ОН 3.545

О 4.746

Таблица 1. Излучательные и поглощательные спектральные линии некоторых важных соединений

Дальнее инфракрасное излучение способно без особых усилий проникать сквозь межзвездную пыль, что позволяет получать сведения и информацию из областей вселенной недоступных для видимого диапазона длин волн, например, из центра нашей Галактики. Благодаря наличию окон прозрачности в пределах атмосферы Земли, в этом частотном диапазоне возможно, например, определять энергетические вращательные переходы гидроксильных групп -ОН на частотах около 2.5 ТГц и 3.5 ТГц, их содержание в атмосфере, что является важным поскольку играет основную роль в каталитической циркуляции, которая ответственна за разрушение озонного слоя [2, 3].

До сих пор дальний инфракрасный диапазон длин волн - это мало исследованная часть электромагнитного спектра. С одной стороны причиной тому служит технологическая сложность разработки и создания приемников данного диапазона. С другой стороны наблюдения с поверхности Земли позволяют получить лишь малую часть всего объема полезной для нас информации, так как электромагнитные волны инфракрасного диапазона частот хорошо поглощаются водяным паром, молекулами углекислого газа, озоном и другими молекулами, содержащимися в нижних слоях атмосферы. В ходе решения этой проблемы появлялись, продолжают использоваться и создаются различные баллонные, самолетные и спутниковые платформы для работы в области инфракрасного излучения [4, 5, 6, 7, 8].

Так, например, при помощи самолетного проекта SOFIA [9] с 2005 года открыт доступ в область с длинами волн от 0.3 мкм до 1.6 мм, которая практически недосягаема для радиотелескопов наземного базирования. Это общий проект (DLR) - Немецкого Аэрокосмического Центра и NASA. SOFIA-это телескоп с диаметром зеркала 2.5 метра расположенный на борту модернизированного транспортного самолета Боинг 747 SP. Измерения могут производиться на наблюдательной высоте около 14 километров, что почти полностью исключает мешающее влияние атмосферы Земли.

Спутниковый проект Herschel [10] позволит производить спектральные исследования вселенной в области длин волн от 60 мкм до 670 мкм. Срок запуска проекта май 2009 года.

Баллонный проект TELIS [6], с его помощью возможно проведение экспериментов в дальнем инфракрасном диапазоне длин волн атмосферы Земли. Один из приемников, используемый в проекте TELIS, должен работать в диапазоне 1.76 — 1.86 ТГц, где интенсивность спектральных линий таких соединений, как ОН, НО2, NO и NO2, особенно высока.

Создается и разрабатывается проект МИЛЛИМЕТРОН [8], который включен в федеральную космическую программу России до 2015 года. Он разрабатывается координировано с головной организацией -Астрокосмическим центром Физического института им. П.Н. Лебедева РАН по заказу Федерального космического агентства Роскосмос. Это большой проект космической обсерватории с 12 метровым охлаждаемым зеркалом, которая сможет вести наблюдения в диапазоне длин волн 10 мкм - 2 см.

Идет обсуждение проекта, направленного на исследование областей формирования звёзд и планет в частях терагерцового диапазона, недоступных для наблюдений с поверхности Земли - создание и разработка космического интерферометра FIRI [11]. Он состоит из трех модулей, каждый из которых оборудован 3.5 метровым зеркалом. Рабочий диапазон длин волн интерферометра 25-385 мкм. На частотах более 1.5ТГц, предполагается использовать сверхпроводящие смесители на основе электронного разогрева, хотя для того, чтобы удовлетворить требования проекта, понадобится существенное расширение полосы промежуточных частот, по сравнению с достигнутыми значениями.

Чтобы определять не только существование тех или иных элементов или молекул, а также частоты их вращения, плюс такие важные физические параметры как температура, плотность и динамическое поведение наблюдаемого объекта необходима восприимчивость системы к очень слабым астрономическим сигналам, а также прием этих сигналов с высоким временным и пространственным разрешением. Все проекты, перечисленные выше, направлены на создание ТГц приемников с такими параметрами, как: чувствительность, шумовые характеристики, пространственное разрешение и рабочий диапазон частот, существенно лучшими, чем у существующих на сегодняшний день приемников этого диапазона. Это позволит производить более качественные наблюдения и исследования в этой еще относительно неисследованной части электромагнитного спектра.

Основа всех астрономических и астрофизических проектов такого рода - создание гетеродинных приемников для спектроскопии высокого разрешения |— >106 | в области дальнего инфракрасного излучения. В таком

Ш ) приемнике слабый полезный сигнал при помощи малошумящего смесителя; являющегося центральным элементом, смешивается с более мощным сигналом гетеродина. Задачей смесителя при этом служит преобразование высокочастотного полезного сигнала в сигнал низкой частоты, равной разнице между частотой полезного сигнала и частотой гетеродина. Далее этот преобразованный низкочастотный сигнал, содержащий в себе полезную для нас информацию, может усиливаться. и обрабатываться обычной электроникой.

Также суб-ТГц и ТГц спектроскопия в последнее время находит широкое применение в чисто лабораторных исследованиях, как фундаментальных, так и прикладных. Так ТГц приемники активно применяются в системах пассивного и активного получения изображения в суб-ТГц и ТГц диапазоне для целей медицины, всепогодной навигации и в системах безопасности [12, 13, 14, 15]. В пассивных системах происходит прием естественного теплового излучения изучаемого объекта, а в активных системах исследуемый объект дополнительно облучается ТГц излучением, затем производится детектирование и анализ проходящих или отраженных лучей. Пассивные системы получения изображения в сфере безопасности применяются для обнаружения скрытых предметов на фоне теплового излучения человеческого тела. Это стало возможным благодаря тому, что ТГц излучение менее интенсивно поглощается различными веществами, нежели инфракрасное излучение, поэтому становится возможным обнаружение предметов под слоями одежды и других материалов. Более того, было показано [16, 17], что в ТГц диапазоне длин волн многие вещества имеют характеристический спектр, благодаря чему возможно не только обнаружение интересующего нас объекта, но и определение вещества, из которого он состоит. Для использования в пассивных системах детекторные устройства должны обладать высокой чувствительностью и быстродействием, оставаясь при этом достаточно простыми в эксплуатации. Также они должны обладать возможностью интегрирования в матрицы для получения изображения в широком поле обзора и в реальном времени.

Развитие приемных элементов терагерцового диапазона происходит быстрее, чем развитие в области разработки и создания источников терагерцового излучения, хотя в последнее время и здесь наметился прогресс. Причем действительный интерес представляют не только рекордные параметры этих приборов, но и фундаментальные исследования природы физических процессов в используемых материалах. Разнообразие радиоастрономических и лабораторных задач обуславливают спектр используемых приемников.

Поскольку чувствительность приемника увеличивается, ' как с увеличением входной полосы частот приемника, так и с уменьшением его внутренних шумов [18], то используют болометрические приемники прямого детектирования (некогерентные), широкополосные по своей природе. При этом чувствительность такого приемника ограниченна флуктуациями фонового излучения и не ограничивается квантовыми шумами. Их частотная полоса определяется только входными оптическими фильтрами, ее значение обычно составляет 50-100 ГГц [19], но при этом разрешающая способность очень низка. Не смотря на это, болометрические приемники находят применение в спектроскопии низкого и среднего разрешения |-^-<l02j путем их комбинации с Фурье-спектрометром [20].

В спектроскопии высокого разрешения по мере развития радиоастрономии, как мы уже отмечали выше, применяют гетеродинные приемники (когерентные), центральным элементом которых служит малошумящий смеситель. В качестве смесителей для приемников, рассчитанных для работы на частотах от 100 ГГц и до нескольких ТГц, до недавних пор, находили применение гетеродинные приемники со смесителями на диодах с барьером Шоттки (ДБШ). Главным их достоинством является то, что они могут работать в широком интервале температур, включая комнатную. Их чувствительность, на частотах менее 1 ТГц, заметно уступает чувствительности СИС смесителей (о которых говорится далее), но при увеличении постоянной времени наблюдения, что не всегда приемлемо для наблюдений, добиваются необходимых значений отношения сигнал/шум. Основным недостатком является большая мощность гетеродина, требующаяся для накачки ДБШ смесителей (порядка нескольких милливатт), что является труднодостижимой задачей в ТГц диапазоне частот из-за отсутствия достаточно мощных перестраиваемых твердотельных источников излучения.

Значительный прогресс в этой области был, достигнут с разработкой и созданием малошумящего смесителя на основе туннельного перехода сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник, так называемого СИС смесителя [21, 22]. Шумовая температура таких приемников всего в несколько раз превышает квантовый предел, но резко возрастает на частотах выше характеристической частоты щели используемого сверхпроводника. Это накладывает ограничение на область практического применения приемников основанных на СИС смесителях. Максимальная частота, на которой работают СИС смесители, на сегодняшний день, составляет 1.4 ТГц [23].

Дальнейшие исследования в области сверхпроводимости, в частности исследование эффекта электронного разогрева в тонких сверхпроводниковых пленках в середине 80-х годов привело к созданию в 90-е годы нового класса приборов - сверхпроводниковых болометров на горячих электронах, в международной литературе обозначаемых как НЕВ (hot-electron bolometers) [24].

Наряду с появлением в начале 90-х годов сверхпроводниковых НЕВ смесителей был предложен еще один тип НЕВ смесителей, отличающихся от первых типом используемых материалов. Это смесители ТГц и суб-ТГц диапазона волн на эффекте разогрева двумерного электронного газа (2DEG) в полупроводниковых гетероструктурах AlGaAs/GaAs, предложенные в [25, 26]. Электроны в гетероструктурах AlGaAs/GaAs относительно слабо связаны с фононами, поэтому даже для малых рассеиваемых мощностей наблюдается эффект электронного разогрева, играющий важную роль в механизме детектирования ТГц излучения. Такие параметры гетероструктуры AlGaAs/GaAs, как высокая подвижность электронов и температурная нелинейность проводимости, позволяют реализовывать на ее основе смесители, работающие при азотной температуре ~77К и выше. Охлаждение смесителя до уровня температур жидкого азота, может легко осуществляться при помощи компактных криогенных машин. Основными достоинствами такого типа смесителей являются относительно высокая рабочая температура, например 77 К, и широкая полоса преобразования (до 20 ГГц для диффузионного механизма охлаждения и до 37ГГц для баллистического [27, 28]).

Релаксация энергии двумерных электронов в гетероструктуре AlGaAs/ GaAs в. диапазоне азотных температур осуществляется за счет неупругого рассеяния на оптических колебаниях решетки, а в диапазоне гелиевых и субгелиевых на акустических. При микронных размерах чувствительного элемента релаксация происходит посредством диффузии горячих электронов в контакты. Актуальным является детальное изучение временных характеристик процесса энергетической релаксации в таких структурах, поскольку оно способствует разработке широкого класса новых полупроводниковых приборов. Так электрон-фононное взаимодействие играет важную роль в сверхбыстрых транзисторах на основе материала с высокой подвижностью (НЕМТ) и квантово-каскадных лазерах (QCL). Последние представляют собой новый класс источников излучения терагерцового диапазона, которые уже продемонстрировали свое успешное использование в ТГц приемниках [29, 30].

В"* настоящее время, многие проекты субмиллиметровой супергетеродинной радиоастрономии и зондирования атмосферы в терагерцовом диапазоне основании на СИС смесителях, диодах Шоггки и на сверхпроводниковых смесителях на горячих электронах (НЕВ). Каждый, из представленных типов смесителей обеспечивает работу в том, или1 ином диапазоне частот, где его характеристики существенно лучше, чем. у остальных. Благодаря ? сильной температурной зависимости сопротивления в условиях перехода в сверхпроводящее состояние НЕВ'смесители обладают очень высокой, чувствительностью. За прошедшие годы технология этих смесителей значительно продвинулась вперед и на сегодняшний день они, обладают наилучшими характеристиками и не имеют аналогов на частотах выше 1.2 ТГц. Такие параметры как низкая шумовая температура 950 К на частоте гетеродина 2.5 ТГц [31], измеренная в двухполосном режиме, и низкая требуемая мощность гетеродина (десятки нановатт - единицы микроватт) определяют НЕВ смесители, как единственный приемлемый тип для использования в современных радиоастрономических проектах на терагерцовых частотах.

Электронный разогрев в тонких разупорядоченных сверхпроводниковых металлических пленках обладает двумя очень важными свойствами: коэффициент поглощения не зависит от частоты, вплоть до видимого диапазона частот и время релаксации электронов в таких структурах очень мало (для пленок NbN ~ 10"'1 с). Это позволяет реализовать смесители с полосой промежуточных частот более 10 ГГц [32] и работающие на более высоких частотах гетеродина, чем разработанные к настоящему времени.

Наиболее перспективным и исследованным сверхпроводниковым материалом, используемым для изготовления НЕВ смесителей к моменту начала работы над диссертацией являлся NbN. Главным, его достоинством является малое время электрон-фононного взаимодействия; в отличие от других материалов, таких как, например Nb' [33]. Так, значение времени-электрон-фононного взаимодействия для-* NbN ~ 15 пс. при; температуре порядка 10 К, что в свою очередь соответствует полосе 10.6 ГГц. Однако полоса преобразования, достигнутая для NbN смесителей с фононным каналом охлаждения к моменту начала работы над диссертацией, составляла 4.5 ГГц для плёнок толщиной 3.5-4 нм,, осаждённых на подложку из. кристаллического MgO [34]. Многие международные проекты, уже находящиеся на стадии реализации, предполагают использование сверхпроводящих смесителей на электронном разогреве в приёмниках высокочастотных каналов. Вместе с тем, в ряде современных проектов, находящихся на стадии разработки и направленных на радиоастрономические исследования- с космическим базированием, к смесителям уже предъявлены требования,- которые потребуют значительных усилий' в их разработке и оптимизации. Одним из наиболее труднодостижимых требований является широкая полоса преобразования (более бТГц) при низкой шумовой температуре, превышающей не более чем в несколько раз квантовый предел.

Одним из перспективных направлений увеличения полосы преобразования является поиск новых для технологии, НЕВ смесителей сверхпроводящих материалов, способных осаждаться в ультратонкие сверхпроводящие пленки, которые будут иметь лучшее акустическое согласование с технологически важными материалами для подложек, такими как: кремний, сапфир, кварц и демонстрирующих неравновесный отклик- с постоянной времени пикосекундного диапазона. Также не исключается возможность и поиска новых материалов для подложек, которые бы имели лучшее акустическое согласование с имеющимися сверхпроводящими пленками, такими как NbN или NbTiN. Этот поиск - длительный и трудоёмкий процесс, поскольку разработка процесса осаждения тонких сверхпроводящих плёнок требует значительных временных и материальных затрат.

Перспективными- материалами для разработки НЕВ смесителей представляются сверхпроводящие материалы и их сплавы с достаточно высокой критической температурой (такие как NbsGe, №>зА1 и др. с критической температурой до 20 К) и способные осаждаться в тонкие сверхпроводящие пленки. Априори, невозможно указать на какой-либо сверхпроводник, который впоследствии окажется' удачным* с точки зрения технических применений; в частности одновременное выполнение всех условий для. реализации широкой полосы преобразования может наблюдаться далеко не всегда. Весьма перспективным материалом является NbZr, имеющий довольно высокую критическую температуру (в объеме порядка 11 К), при этом он имеет весьма хорошие механические свойства и устойчив к воздействию окружающей среды.

Подводя итог написанному, отметим, что такой важный параметр, как полоса промежуточных частот, у существующих на сегодняшний день гетеродинных приемников ТГц диапазона частот не удовлетворяет запросам современной радиоастрономии и других практических приложений. Также необходимо отметить, что принципиально достижимое значение этого параметра еще далеко от значений экспериментально полученных на сегодняшний день. Из этого следует, что для дальнейшего успешного применения этого типа смесителей в создаваемых и планируемых радиоастрономических проектах и других практических приложениях, потребуется затратить значительные усилия в их разработке и оптимизации. Актуальность представляемого диссертационного исследования определяется необходимостью разработки, создания и оптимизации, широкополосных НЕВ смесителей для гетеродинных приемников с целью решения задач в области ТГц радиоастрономии, мониторинга атмосферы Земли и применения в системах визуализации в ТГц и суб-ТГц диапазонах. Также она определяется необходимостью исследования? процессов релаксации в новых сверхпроводниковых материалах и их сплавах, двумерном электронном газе гетероструктуры AlGaAs/GaAs при температуре 77 К, что необходимо для разработки новых типов ТГц смесителей.

Целью настоящей работы является:

• исследование времени энергетической релаксации в тонких сверхпроводящих пленках NbZr и оценка перспективности материала NbZr в качестве нового для разработки НЕВ смесителей ТГц диапазона;

• исследование зависимостей полосы ПЧ для квазиоптических NbN смесителей от частоты гетеродина (для двух частот 0.3 ТГц и 2.5 ТГц) и сопоставление экспериментальных результатов с выводами существующих болометрических моделей, описывающих физику процессов в НЕВ смесителях;

• разработка и создание смесителей на основе разогрева 2DEG в гетероструктуре AlGaAs/GaAs и исследование их полосы ПЧ, требуемой мощности гетеродина и потерь преобразования.

Объектом исследования являлись: узкие и тонкие мостики, изготовленные из сверхпроводниковой пленки NbZr, осажденной на подложки из сапфира с различной кристаллографической ориентацией, гетероструктуры AlGaAs/GaAs с двумерным электронным газом, квазиоптические смесители, изготовленные из пленок NbN толщиной 4.5 нм, осажденные на подложки из сапфира.

В ходе работы были получены следующие новые научные результаты:

1. Проведено исследование времени остывания горячих электронов в НЕВ смесителях на основе пленки NbZr от ее толщины. Показано, что оно пропорционально толщине пленки, что свидетельствует о том, что это время в тонких пленках NbZr ограниченно временем ухода неравновесных фононов в подложку.

2. Показано, что полоса преобразования для* квазиоптических NbN НЕВ смесителей наиболее точно описывается моделью неоднородного электронного разогрева,' и что она увеличивается на низких частотах гетеродина, благодаря росту относительного вклада в механизм смешения механизма прямого взаимодействия магнитных вихрей с электрическим полем, создаваемым сигнальным, и гетеродинным излучением.

3. При помощи прямых измерений времени электрон-фононной релаксации в 2DEG гетероструктуры AlGaAs/GaAs получено значение времени жизни оптического фонона при температуре электронного газа 100-120 К.

4. Исследована зависимость потерь преобразования смесителя на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs от подвижности двумерных электронов.

5. Исследована зависимость требуемой мощности гетеродина смесителя на основе гетероструктуры AlGaAs/GaAs от концентрации двумерных электронов.

В работе сформулированы и- выносятся на- защиту следующие положения:

1. Значения полосы преобразования для мостиков NbZr размером 10x1 мкм2 и толщинами 10, 20 и 30 нм, осажденных на сапфировую подложку в условиях однородного электронного разогрева, составили 450, 230 и 120 МГц, соответственно. Показано, что полоса преобразования пропорциональна толщине пленки и определяется временем ухода неравновесных фононов в подложку, значения^ которого составили 0.35, 0.69 и 1.3нс.

2. Полоса преобразования смесителя с фононным каналом охлаждения на основе гетероперехода AlGaAs/GaAs с концентрацией двумерных электронов 2.7 3.5x10'1 см"2 составляет 4.5±0.5 ГГц при Т=77 К.

3. Время» жизни оптического фонона в гетероструктуре AlGaAs/GaAs при температуре кристаллической решетки 77 К и температуре электронного газа 100 120 К составляет r^o=4.5±0i8 пс.

4. Модель неоднородного электронного разогрева^ наиболее точно по сравнению с другими существующими болометрическими* моделями' (Перрин-Ваннесте, Карасик-Елантьев, Небосис-Семенов-Гусев-Ренк) описывает экспериментальные результаты измерения! полосы ПЧ для NbN НЕВ смесителей. С уменьшением частоты, гетеродина (<1 ТГц) полоса ПЧ NbN НЕВ смесителей увеличивается благодаря росту относительного вклада в механизм смешения, механизма прямого взаимодействия магнитных вихрей с электрическим полем, создаваемым сигнальным и гетеродинным излучением.

Практическая значимость работы подтверждается использованием разрабатываемых НЕВ смесителей в ряде международных проектов, которые ориентированы на радиоастрономические наблюдения APEX [35] и HERSHEL [10], а также проектов направленных на исследование атмосферы-Земли - SOFIA [9] и TELIS [6]. Значимость подтверждается и разработкой новых международных радиоастрономических проектов, таких как, FIRI [11] и МИЛЛИМЕТРОН [8].

Полученные знания о временах энергетической релаксации- в тонких плёнках NbZr определяют перспективность дальнейшей разработки: НЕВ? смесителей,, на,основе данного материала. Знания, полученные в результате: исследования времени? электрон-фононного взаимодействия в двумерном: электронном газе гетероструктуры AlGaAs/GaAs могут быть, использованы при разработке различных полупроводниковых приборов на основе 2DEG. Разрабатываемые AlGaAs/GaAs смесители, работающие при; 77 К, являются перспективными для использования» в приборах ТГц тепловидения? и инструментах ТГц радиоастрономии.

Диссертация состоит из введения; четырёх глав;, заключения; списка; публикаций автора и списка литературы. Объём работы составляет 139'страниц, включая; 35' рисунков и 4 таблицы. Список литературы состоит из 143 наименований источников.

Основные выводы диссертационного исследования можно сформулировать следующим образом:

Определены времена ухода неравновесных фононов в. подложку, они составляют 350 пс, 690 пс и 1.3 не для-NbZr пленок нанесенных на подложки из сапфира толщиной 10 нм, 20 нм и 50 нм, соответственно. Плёнки NbZr имеют худшее согласование с сапфировой подложкой, чем плёнки NbN, и полоса преобразования NbZr смесителей с фононным каналом охлаждения * уступает полосе преобразования NbN смесителей.

Показано, что модель неоднородного электронного разогрева^ наиболее точно по сравнению с другими существующими болометрическими моделями- описывает экспериментальные результаты измерения^ полосы ПЧ для NbN НЕВ смесителей. Также показано; что- с уменьшением частоты гетеродина' (<1 ТГц) полоса ПЧ' NbN НЕВ-смесителей увеличивается благодаря росту относительного вклада! в механизм смешения механизма прямого взаимодействия магнитных вихрей с электрическим полем, создаваемым сигнальным и гетеродинным излучением.

Исследована полоса ПЧ для смесителя с фононным каналом охлаждения 2D» газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs. Значения полосы преобразования, смесителей составили 3.5-4.5 ГГц, при Т=77 К. Экспериментально определеное время жизни оптического фонона составило Чо~ 4.5±0.8 пс при .температуре электронного газа Ге=100 - 120 К. В режиме охлаждения' горячих электронов на^ оптических фононах полоса преобразования' смесителей на1" основе гетероструктур AlGaAs/GaAs ограничена, перепоглащением-оптических фононов электронами. Смесители с большой подвижностью 2D- газа обладают меньшими потерями преобразования по сравнению со смесителями с меньшей подвижностью при одинаковой степени разогрева носителей; В оптимальной области температур 2D газа (77-100 К) потери преобразования смесителей на основе гетероструктуры; AlGaAs/GaAs составили - 13 дБ. Оптимальная мощность гетеродинного источника, приходящаяся на 1 мкм2 площади чувствительного элемента смесителя, составляет - 200 нВт для смесителя с подвижностью г ■ Л

2.3x10 см /В-с, что соответствует мощности - 7.2 мкВт/для смесителя с размером чувствительного элемента ' 3x12 мкм2, подвижностью //=2.3хЮ5 см2/В-с и концентрацией носителей я/=3х10п см"2.

В заключении автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору Г.Н. Гольцману за руководство и помощь на протяжении всей работы над диссертацией. Автор выражает благодарность! А.И. Елантьеву, А.Д. Семенову, и Д.В. Морозову за помощь на начальном этапе исследования и полезные обсуждения на протяжении всей работы над; диссертацией. Также автор благодарен Д.В. Морозову, М.И. Финкелю, В.А Ляхову за помощь в эксперименте, Б.М. Воронову, Ю.Б. Вахтомину, Р.В. Ожегову, К.В1 Смирнову за полезные обсуждения, и всему коллективу Учебно-научного радиофизического центра Mill У. Огромную благодарность автор выражает всему коллективу группы Хайнца-Вильгельма Хьюберса из Института планетарных исследований немецкого аэрокосмического центра.

Список публикаций автора

Публикации в журналах из списка ВАК РФ

1. Semenov A.D., II'in К., Siegel М., Smirnov A., Pavlov S., Richter H., Hiibers H.-W. Evidence of non-bolometric mixing in the bandwidth of a hot-electron bolometer // Superconductor Science and Technology. - 2006. - Vol. 19. - Pp. 1051-1056. - 0,375 п.л. (авторских 30%)

2. Semenov A.D., Richter H., Hiibers H.-W., GiXnther В., Smirnov A., II'in K., Siegel M. and Karamarkovic J. P. Terahertz performance of integrated lens antennas with a hot-electron bolometer // IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques. - 2007. - Vol. 55(2). - Pp. 239-247. - 0,562 п.л. (авторских 20%)

3. Морозов Д. В., Смирнов К. В., Смирнов А. В., Ляхов В. А., Гольцман Г. Н. Миллиметровый/субмиллиметровый смеситель на основе разогрева двумерного электронного газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs с фононным каналом охлаждения // Физика и техника полупроводников. -2005. - Т. 39, вып. 9. - С. 1117-1121. - 0,312 п.л. (авторских 30%)

Публикации в других изданиях

4. Semenov A., Richter Н., Bottger U., Smirnov A. Hiibers H.-W. Imaging THz radar for security applications // Proceeding of the 4th Int. Conference Antennas, Radar and Wave Propagation. - Montreal, Canada: 2007. - Pp. 6368. - 0,375 пл. (авторских 15%)

5. Semenov A.D., II'in K., Siegel M., Smirnov A., Pavlov S., Richter H., Hiibers H.-W. Intermediate frequency bandwidth of a hot-electron mixer: comparison with bolometric models // Proceeding of 17th International Symposium on

Space Terahertz Technology. - Paris, France: 2006. - Pp. 73-76. - 0,25 п.л. (авторских 30%)

6. Морозов Д.В., Смирнов КВ., Смирнов А.В., Ляхов В.А., Гольцман Г.Н. ММ/СММ смеситель на основе 2D электронов в гетероструктуре AlGaAs/GaAs // VII Российская конференция по физике полупроводников.

- Звенигород, Россия: 2005. - С. 214. - 0,125 п.л. (авторских 30%)

7. Smirnov A.V., Larionov Р.А., Finkel M.I., Maslennikov S.N., Voronov B.M., Gol'tsman G.N. NbZr films for THz phonon-cooled HEB mixers // Proceeding of 19th International Symposium on Space Terahertz Technology. - Groningen, The Netherlands: 2008. - Pp. 44-47. - 0,25 п.л. (авторских 50%)

8. Semenov A., Richter H., Smirnov A., Gunther В., Hiibers H.-W., II'in K., Siegel M., Gol'tsman G., Drakinskiy V., Merkel H. and Karamarkovic J. Development of HEB mixers for GREAT and for security screening // Proceeding of 18th International Symposium on Space Terahertz Technology. — Pasadena, USA: 2007. - Pp. 184. - 0,06 п.л. (авторских 10%)

9. Ляхов В.А., Смирнов А.В. Морозов Д.В., Смирнов КВ., Гольцман Г.Н. Миллиметровый/субмиллиметровый смеситель на основе разогрева двумерных электронов в гетероструктуре AlGaAs/GaAs // Материалы международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения». - Москва: 2004. - Ч. 1.

- С. 259. - 0,125 п.л. (авторских 30%)

10. Смирнов А.В., Морозов Д.В. и Ляхов В.А. Смеситель ММ/СММ диапазона на основе разогрева 2D электронного газа в гетероструктуре AlGaAs/GaAs // Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005». — Москва: 2005. - Т. 2. - С. 32-34. - 0,187 п.л. (авторских 40%)

Заключение

1. Submillimeter, Millimeter, and Microwave Spectral Line Catalog / H.M. Pickett, R.L. Poynter, E.A. Cohen, M.L. Delitsky, J.C. Pearson, and H.S.P. Muller // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. - 1998. - Vol. 60 - p. 883.

2. Roser H.-P. Heterodyne spectroscopy for submillimeter and far-Infrared wavelengths from lOOpm to 500pm // Infrared Phys. 1991. - Pp. 385-407.

3. SiegelP.H. Terahertz technology II IEEE Trans. MTT. 2002. - Vol. 50, no. 3.-Pp. 910-928.

4. SMA Submillimeter Array. - Internet page. - 2008. http://sma-www.cfa.harvard.edu.

5. Wyborn N. The HIFI heterodyne instrument for FIRST: Capabilities and performance // Eur. Space Agency Symp. Grenoble, France: 1997. - Pp. 1924.

6. Проект Миллиметрон. Страница в Интернете. - 2008. http://www.asc.rssi.ru/millimetron/rus/millim.htm.

7. Krabbe A., Roser H.-P. SOFIA Astronomy and Technology in the 21st Century II Rev. of Mod. Astronomy. 1999. - no. 12.-Pp.l052-1063.

8. Pilbratt G.L. The ESA FIRST cornerstone mission // SPIE 4013. 2000. -Pp.142-151.

9. Helmich F.P. and Ivison R.J. FIRI a far-infrared interferometer // Exsperimental Astronomy. - 2009. - Vol. 23. - Pp. 245-276.

10. Ни В.В., Nuss M. С. Imaging with terahertz waves I I Optics Letters. 1995. -Vol. 20, no. 16.-Pp. 1716-1718.

11. Appleby R. Passive millimeter-wave imaging and how it differs from terahertz imaging // Phil. Trans. R. Soc. bond. A. 2004. - Vol. 362. - Pp. 379-394.

12. Terahertz sources and detectors and their application to biological sensing / T.W.Growe, T.Globus, D.L.Woolard, J.L. Hesler // Phil. Trans. R. Soc. bond.- 2004. Vol. 362. - Pp. 365 -367.

13. Non-destructive terahertz imaging of illicit drugs using spectral fingerprints / K. Kawase, Y. Ogawa, Y. Watanabe and H. Inoue // Optics Express. 2003.- Vol. 11, no. 20. Pp. 2549-2554.

14. Terahertz wideband spectroscopic imaging based on 2D electro-optic sampling technique / M. Usami, M. Yamashita, K. Fukushima, C. Otani, K. Kawase // Applied Physics Letters. 2005. - Vol. 86, no. 141109. - Pp. 1-3.

15. Richards P.L. Bolometers for infrared and millimeter waves // J. Appl. Phys.- 1994.-Vol. 76, no. 1.-Pp. 1-24.

16. Carlstrom J.E. and Zmuidzinas J. Millimeter and Submillimeter Techniques // Oxford, The Oxford University Press. 1996.

17. Blundell R. and Tong C.-Y. Submillimeter receivers for radio Astronomy // Proc. of the IEEE. 1992. - Vol. 80, no. 11. - Pp. 1702-1720.

18. Quasiparticle heterodyne mixing in SIS tunnel junctions / P.L. Richards, T.M. Shen, R.E. Harris, F.L. Lloyd // Appl. Phys. Lett. 1979. - Vol. 34. -P. 345.

19. Dolan G.J., Phillips T.G., Woody D.P. Low-noise 115 GHz mixing in superconductring oxide-barrier tunnel junctions // Appl. Phys. Lett. 1979. -Vol. 34.-P.347.

20. Low noise 1.4GHz SIS mixer for SOFIA / A. Karpov, D. Miller, J.A. Stern, B. Bumble, H.G. LeDuc, J. Zmuidzinas // Proc. of 19th int. symp. on space terahertz technology. Groningen, The Netherlands: 2008. - P. 68.

21. Microwave mixing and noise in the two-dimensional electron gas medium at' low temperatures / J.X. Yang, J. Li, C.F. Musante andi K.S. Yngvesson // Appl. Phys. Lett. 1995. - Vol. 65. - Pp. 581-589:

22. Wide bandwidth' millimeter wave mixer using» a diffusion^ cooled two-dimensional electron gas / M. Lee, L.N. Pfeiffer, K.W. West and K.W. Baldwin // Appl. Phys. Lett. 2001. - Vol. 78(19). - Pp. 2888-2890.

23. Lee M, Pfeffer L. N., West K. W. Ballistic cooling in1 a wideband" two-dimensional electron gas bolometric mixer II Appl. Phys. Lett. 2002. - Vol. 81, no. 7.-P. 1243.

24. Terahertz semiconductor-heterostructure laser / R. Kohler, A. Tredicucci, F. Beltram, H.E. Beere, E.H. Linfield, A.G. Davies, D.A. Ritchie, R.C. Iotti, F. Rossi // Letters to Nature. 2002. - Vol. 417. - Pp. 156-159.

25. Doubling of sensitivity and bandwidth in phonon cooled hot electron bolometer mixers / J.J. A Baselmans, M. Hajenius, J. Gao, P. d. Korte, T.M. Klapwijk, B. Voronov, G. Gol'tsman // App: Phys. Lett. 2004. - Vol. 84 (11).-Pp. 1958-1960:

26. Электрон-фононное взаимодействие в ультратонких плёнках Nb / Е.М. Гершензон, М.Е. Гершензон, Г.Н. Гольцман, Л.М. Люлькин, А.Д. Семенов, А.В. Сергеев // ЖЭТФ 1990. - Т. 97, №3 - С. 901-911.

27. APEX — Atacama Pathfinder Experiment. Internet page. - 2008. http://www.apex-telescope.org.

28. A hot-electron direct detector for radioastronomy / B.S. Karasik, W.R. McGrath, H.G. LeDuc and M.E. Gershenson // Supercond. Sci. Technol: — 1999. Vol. 12. - Pp. 745-747.

29. Design and construction of high sensitivity infrared bolometers for operation at 300 mK / D.C. Alsop, C. Inman, A.E. Lange and T. Wilbanks. // Appl. Opt. 1992. -Vol. 31. -Pp. 6610-6615.

30. А 100 mK bolometric receiver for low background astronomy / S.T.Tanaka, A. Clapp, MJ. Devlin, M.L. Fischer, C. Hagmann, A.E. Lange, P.L. Richards // SPIE Proc. Infrared Detectors and Instrumentation. 1993. — Vol. 1946.-P. 110.

31. Schwarz S.E.and Ulrich B.T. Antenna-coupled infrared detectors // J. Appl. Phys. 1977. Vol. 48(5). - P. 1870.

32. Разогрев квазичастиц в сверхпроводящей пленке, находящейся в резистивном состоянии / ЕМ. Гершензон, М Е. Гершензон, Г Н. Гольцман, А Д. Семенов, А В. Сергеев // ЖЭТФ. 1981. - Т. 34, вып. 5. -С. 281-285.

33. Nahum М, Richards P.L., and Mears С.А. Design analysis of a novel hot-electron microbolometer // IEEE Trans.Appl.Supercond. 1993. - Vol. 3, no.l. - P. 2124.

34. Nahum M. and Martinis J.M. Ultrasensetive-hot-electron microbolometer // Appl. Phys. Lett. 1993. - Vol. 63(22). - P.3075.

35. Розанов Б.А., Розанов С.Б. Приемники миллиметровых волн // Москва: Радио и связь 1989. - С. 168.

36. GaAs Schottky diodes for THz mixing applications / T.W. Crowe, R.J. Mattauch, H.P. Roser, W.L. Bishop, W.C. Peatman, X. Liu // Proc. IEEE Dept. ofElectr. Eng., Virginia Univ., Charlottesville, VA: 1992-Vol. 80, n. 11.-Pp. 1827-1841.

37. Erickson N.R. Low noise Submillimeter receivers Using Single-Diode Harmonic Mixers// Proc. IEEE. 1992. - Vol. 80, n. 11. - Pp. 1721-1728.

38. Roser H.-P. Heterodyne spectroscopy for submillimeter and far infrared wavelength from 100 mm to 500 mm // Infrared Physics. 1991. - Vol.32. -P. 385.

39. Gearhart S.S. and Rebeiz G.M. Monilithic 250 GHz Schottky-Diode Receiver // IEEE Trans. Microvawe Theory Techniques. 1992. - Vol. 42. -Pp.2504-2511.

40. Submm wavelenght waveguide mixers using planar Schottky barier diodes / J.L.Hesler, W.R'. Hall, T.W. Crowe, R.M. Weikle and B.S. Deaver // Proc. 7th Int. Symp. on Space Terahertz Technology. — Charlottesville, USA: 1996. -P. 462.

41. Quasiparticle heterodyne mixing in SIS tunnel,junctions / P.L. Richards, T.M. Shen, R.E. Harris and F.L. Loyd // App. Phys. Lett. 1979. - Vol. 34 (l).-Pp. 345-347.

42. Low-noise 115-GHz mixing in superconducting oxide-barrier tunnel junctions / G.J. Dolan, T.G. Phillips and D.P. Woody // App. Phys. Lett. -1979. Vol. 34 (1). - Pp. 347-349.

43. Tucker J.R. Quantum limited detection in tunnel junction mixers // IEEE J.Quantum Electron. 1979. - Vol. 15. - P.1234.

44. Wengler M.J. Submillimeter-Wave Detection with Superconducting Tunnel Diodes И Proc. of the IEEE. 1992. - Vol. 80. - Pp. 1810-1826.

45. Four Fotons Sensitivity Heterodyne Detection of Submillimeter Radiation with Superconducting Tunnel Junctions / A. Karpov, J. Blondel, M. Voss, K. H. Gundlach // IEEE Trans. Appl.Supercond. 1995. - Vol. 5. - P. 3304.

46. A low noise 230 GHz heterodyne receiver employing 0.25 mm area Nb-A10x-Nb tunnel junctions / J.W. Kooi, M. Chan, T.G. Phillips, B. Bumble, H.G. LeDuc // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1992. - Vol. 40. -Pp. 812-815.

47. Low-noise completely SIS receiver for radio astronomy at 115 GHz / V.Yu. Belitsky, M.A. Tarasov, S.A. Kovtonjuk, L.V. Filippenko and O.V. Kaplunenko // Int. J. IR and MM Waves. 1992. - Vol.13. - P. 389.

48. Sub-mm distributed quasiparticle receiver employing a non-linear transmission line / C.-Y. E. Tong, R. Blundell, B. Bumble, J.A. Stern, and H.G. LeDuc // Proc. 7th Int. Symp. on Space Terahertz Technology. -Charlottesville, USA: 1996. P. 47.

49. An Integrated SIS Mixer and HEMT IF Amplifier / S.Padin, D.P. Woody, J.A. Stern, H.G. LeDuc, R. Blundell, C.-Y. E. Tong, M.W. Pospieszalski // IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1996. - Vol. 44(6). - Pp. 987-990.

50. Winkler D. and Claeson 71 High-frequency limits of superconducting tunnel junction mixers // J. Appl. Phys. 1987. - Vol. 62. - P. 4482.

51. An improved ITHz waveguide mixer / H.van de Stadt, A. Baryshev, J.R. Gao, H. Golstein, Th. de Graauw, W. Hulshoff, S. Kovtonyuk, H. Schaeffer, N. Whyborn // Proc. 7th Int. Symp. on Space Terahertz Technology. — Charlottesville, USA: 1996. P. 536.

52. Low-noise submillimeter-wave NbTiN superconducting tunnel junction mixer / J. Kawamura, J. Chen, D. Miller, J. Kooi, J. Zmuidzinas; B. Bumble, H.G.Leduc, J. A. II Appl. Phys. Lett. 1999. - Vol. 75. - Pp. 4013-4015.

53. Submillimeter-wave mixing and noise in HTS Josephson junctions / M. Tarasov, E. Stepantsov, D. Golubev, Z. Ivanov, T. Claeson, O. Harnack, M. Darula, S. Beuven, H. Kohlstedt II IEEE Trans. Appl Supercond. 1999. -Vol. 9.-Pp. 3761-3764.

54. Altshuler B.L., Aronov A.G. Electron-electron interaction in disordered conductors // Modern problems in condensed matter science. 1985. - Pp. 1-153.

55. Broadband Ultrafast Superconducting NbN Detector for Electromagnetic Radiation / Yu.Gousev, G.N.Gol'tsman, A.D.Semenov, E.M.Gershenzon, R.S.Nebosis, M.A.Heusinger, and K.F.Renk II J.Appl.Phys. 1994. - Vol. 75(7).-Pp. 3695-3697.

56. Electron-phonon interaction in ultrathin Nb films / E.M. Gershenzon, M.E. Gershenzon, G.N. Gol'tsman, A.M. Lyul'kin, A.D. Semenov, A.V. Sergeev // Sov. Phys. JETP. 1990. - Vol. 70. - Pp. 505-511.

57. Bergman G. Weak localization in thin films, a time-of-flight experiment with conduction electrons // Physics Reports. 1984. - Vol. 107. - Pp. 1-58.

58. Kaplan S.B. Acoustic matching of superconducting films to substrates // J. Low.Temp.Phys. 1979. - Vol. 37. - Pp. 343-365.

59. Perrin N. and Vanneste C. Response of superconducting films to a periodic optical irradiation // Phys. Rev. B. 1983. - Voli 28. - Pp. 5150-5159.

60. Perrin N. and Vanneste C. Dynamic behavior of a superconductor, under time-dependent external excitation // J. Physique. 1987. - Vol. 48. - P. 1311.

61. Sergeev A.V. and Reizer M.Yu. Photoresponse mechanisms of thin superconducting- films and superconducting detectors // Int. J. Of Modern Physics B: 1996. - Vol. 10(6). - P. 635.

62. Неселективное воздействие электромагнитного излучения на сверхпроводящую пленку в резистивном состоянии / Е.М. Гершензон, М.Е. Гершензон, Г.Н. Гольцман, А.Д. Семенов, А.В. Сергеев // ЖЭТФ. 1982. - Т. 36, № 7. - С. 241-244.

63. Prober D.E. Superconducting terahertz mixer using a transition-edge microbolometer // Appl. Phys. Lett. 1993. - Vol. 62(17). - P: 2119;

64. Skocpol W.J., Beasley M.R., and Tinkham M. Self-heating hotspots in superconducting thin-film microbridges / J. Appl. Phys. — 1974. Vol. 45.-P; 4054.

65. Hotspot mixing: a framework for heterodyne mixing in superconducting hot electron-bolometers / D.W. Floet, E. Miedema, T.M. Klapwijk, J.-R. Gao // Appl. Phys. Lett. 1999. - Vol. 74. - P. 433.

66. Conversion: gain and: fluctuation noise: of phonon-cooled; HEB in hot-spot model / H.F. Merkel, Pi Khosropanah, D.W. Floet, P.A. Yagoubov, E.L. Kollberg II IEEE Trans, on MTT. - 2000:- Vol! 48(4):- Pp: 690^699:

67. Semenov A. and Hiibers H.- W. Bandwidth of Hot ElectromBblbmeter Mixer, accordingtto the Hot Spot Model:// IEEE Trans. Appl. Supercond. 2001. -V0hll(l):-PM96i,

68. Неравновесный отклик тонких пленок NbN на излучение миллиметрового;-т. оптического диапазонов / Е.М. Гершензон, Г.Н! Гольцман, Ю.П. Гусев, А.Д. Семенов // СФХТ. 1993. - Т.6, № 6; - С. 1198-1210.

69. Ъ9\ Гольцман Г.Н., Смирнов КВ. Электрон-фононное взаимодействие вv двумерном электронном; газе полупроводниковых, гетер о структур при низких температурах IIЖЭТФ: 2001. - Т. 74, № 1. - С: 532-538.

70. A superconducting bolometer with strong electrothermal feedback / A.T. Lee, P.L. Richards, S.W. Nam, B; Carbera, K.D: Irwin // Appl. Phys. Lett. -1996; Vol: 69(12): - P;1801t,

71. Karasik B.S. and Elantiev A.I. Noise Temperature* limit of a Superconducting Hot Electron Bolometer Mixer // Appl. Phys. Lett. 1996. -Vol. 68.-Pp. 853-855.

72. Karasik B.S. and Elantiev A.I. Analysis of the noise performance of a hoh-electron superconducting bolometer mixer // Proc. 6th Int. Symp. on Space Terahertz Technology. Pasadena, USA: 1995. - Pp. 229-246:

73. Lamb J. W. Miscellaneous Data on Materials for Millimetre and, submillimetre Optics // Intern. J. of Infrared and Millimeter Waves. 1996. -Vol. 17(12).-Pp. 1997-2034.

74. Conversion Gain and Noise of Nb Superconducting Hot Electron Mixers / H. Ekstrom, B. Karasik, E. Kollberg and K.S. Yngvesson // IEEE Trans, on Microwave Theory Tech. 1995. - Vol. 43(4). - Pp. 938-947.

75. NbN hot electron superconducting mixers for 100 GHz operation / G.N. Gol'tsman, B.S. Karasik, O.V. Okunev, A.L. Dzardanov, E.M. Gershenzon, H. Ekstrom, S. Jacobsson, E. Kollberg // IEEE Trans, on Appl. Supercond. -1995. Vol. 5(2). - Pp. 3065-3068.

76. Ekstrom H., Karasik B.S. Electron temperature fluctuation noise in hot-electron superconducting mixers II Appl. Phys. Lett. 1995. - Vol. 66. - Pp. 3212-3215.

77. Kerr A.R., Feldman M.J. and Pan S.-K Receiver Noise Temperature, the Quantum Noise Limit, and the Role of the Zero-Point Fluctuations // Proc.8th Int. Symp. on Space Terahertz Technology. Cambridge, USA: 1997. -Pp. 101-111.

78. Gain and noise bandwidth of NbN hot-electron bolometric mixers / H. Ekstrom, E. Kollberg, P. Yagoubov, G. Gol'tsman, E. Gershenzon, and S. Yngvesson И Appl. Phys. Lett. 1997. - Vol. 70(24). - P. 3296.

79. Weisbuch C. and Vinter B. Quantum semiconductor structures. Fundamentals and applications // Academic Press. USA: 1991. - P. 252.

80. Физика низкоразмерных систем / А .Я. Шик, JI.Г. Бакуева, С.Ф. Мусихин, С.А. Рыков // СПб: Наука. 2001. - С. 160.

81. Conwell Е.М. High Field Transport in Semiconductors // Solid State Physics Supplement. 1967. - P. 292.

82. Гантмахер В.Ф., Левинсон И.Б. Рассеяние носителей тока в металлах и полупроводниках // Москва: Наука. 1984. - С. 352.

83. Bardeen J., Shockley W. Deformation potentials and mobilities in non-polar crystals // Phys. Rev. 1950. - Oct. - Vol. 80, no. 1. - Pp. 72-80.

84. Price P.J. Electron transport in polar heterolayers // Surf. Sci. 1982. - Vol. 113.-Pp. 199-210.

85. Price P.J. Low temperature two-dimensional mobility of a GaAs heterolayer // Surf. Sci. 1984. - Vol. 143. - Pp. 145-156.

86. Millimeter mixing and detection in builk InSb / F. Arams, C. Allen, B. Peyton, E. Sard // Proc. IEEE. 1966. - Vol. 54. - Pp. 612-622.

87. Putley E.H. Impurity Photocondactivity in n-type InSb // Proc. Phys. Soc. -1960.-Vol. 76.-P. 802.

88. Phillips T.G. and Keene J. Submillimeter astronomy // Proc. IEEE. 1992. -Vol. 80.-Pp. 1662-1678.

89. Microwave mixing and noise in the two-dimensional electron gas medium at low temperatures / J.X. Yang, J. Li, C.F. Musante, and K.S. Yngvesson // Appl. Phys. Lett. 1995. - Vol. 66. - Pp. 1983-1985.

90. Yngvesson K.S. Ultrafast two-dimensional electron gas detector and mixer for terahertz radiation // Appl. Phys. Lett. 2000. - Vol. 76(6). - Pp. 777779.

91. Filipovic D.F., Gearhart S.S., Rebeiz G.M. Double-slot antennas on extended hemispherical and elliptical silicon dielectric lenses // IEEE Trans. On Microwave Theory and Techn. 1993. - Vol. 41. - Pp. 1738-1749.

92. Buttgenbach Т.Н. An improved solution for integrated array optics in quasi-optical mm and submm receivers: the hybrid antenna // IEEE Trans. On Microwave Theory and Techn. 1993. - Vol. 41. - Pp. 1750-1761.

93. Balanis C.A. Antenna Theory. Analysis and design // New York: John Wiley & Sons.-1991.-V. 941.

94. Марков Г.Т., Сазонов Д.М. Антенны // Москва: Энергия. 1975. - С. 527.

95. Duhamel R.H., Isbell D.E. Broadband logarithmically periodic antennas structures // IRE National Convention Record. 1957. - Pp. 119-128.

96. Terahertz quantum cascade laser as a local oscillator in a heterodyne receiver / H.-W. Hubers, S. Pavlov, A. Semenov, R. Kohler, L. Mahler, A. Tredicucci, H. Beere, D. Ritchie, and E. Linfield // Optics Express. 2005. -Vol. 13(15).-Pp. 5890-5896.

97. Roeser H.-P. Heterodyne spectroscopy for submillimeter and far-infrared wavelength from 100 |Ш1 to 500 \\m>ll Infrared Phys. 1991. - Vol. 32. -Pp. 385-407.

98. Kaplan S.B. Acoustic matching of superconducting films to substrate // J. Low Temp. Phys. 1979. - Vol. 37. - Pp. 343-365.

99. II'in K.S. and Siegel M. Microwave mixing in microbriges made from YBa2Cu307-x thin films // J. Appl. Phys. 2002. - Vol. 92. - Pp. 361-369.

100. Fluctuation effect in superconducting nanostrips / A. Engel, A.D. Semenov, H.-W. Hiibers, K. Il'in, M. Siegel // Physica C. 2006. - Vol. 444. - Pp. 1218.

101. Superconducting noise bolometer for terahertz radiation / A.D. Semenov, H. Richter, H.-W. Hiibers, K. Il'in, M. Siegel I/ Appl Phys. Lett. 2005. - Vol. 87. -P.173508.

102. Coffey M.W. and Clem J.R. Unified theory of effects of vortex pinning and flux creep upon the RF surface impedance of type-II superconductors // Phys. Rev. Lett. 1991. - Vol. 67(3). - Pp. 386-389.

103. Mooij J.E. Two-dimensional transition in superconducting films. Percolation, localization and Superconductivity // New York: Plenum. -1984.-Pp. 325-370.

104. Shah J. Hot carriers in quasi-2D polar semiconductors // IEEE J: Quantum Electron. 1986. - Vol. QE-22. - Pp. 1728^1743.

105. Hopfel R.A., Weimann G. Electron heating and free-carrier absorption in GaAs/AlGaAs single heterostructures // Appl. Phys. Lett. 1985. - Vol. 46(3).-Pp. 291-293.

106. Прямые измерения времен энергетической релаксации на гетерогранице AlGaAs/GaAs в диапазоне 4.2-50К / А.А. Веревкин, Н.Г. Птицина, К.В. Смирнов, Г. Н. Гольцман, Е.М. Гершензон, К.С. Ингвессон ПЖЭТФ. 1991. - Т. 64, №5. - С. 371-375.

107. Ridley В.К. Hot electrons in low-dimensional structures // Rep. Prog. Phys. -1991.-Vol. 54.-Pp. 169-256.

108. Price P.J. Two-dimensional electron transport in semiconductor layers. Phonon scattering II Ann. of Physics. 1981. - Vol. 133(2). - Pp. 217-239.

109. Cai W., Marchetti M.C., Lax M. Nonequilibrium electon-phonon scattering in semiconductor heterojunctions // Phys. Rev. B. 1986. - Vol. 34(12). -Pp. 8573-8580.

110. Hirakawa K., Sakaki H. Mobility of the two-dimensional electron gas at selectively doped n-type AlxGax.iAs/GaAs heterojunctions with controlled electron concentrations // Phys. Rev. B. 1986. - Vol. 33(12). - Pp. 82918303.

111. Design and performance of the lattice-cooled hot-electron terahertz mixer /

112. A.D. Semenov, H.-W. Hubers, J. Schubert, G.N. Gol'tsman, A.I. Elantiev,

113. B.M. Voronov, E.M. Gershenzon II Appl. Phys. Lett. 2000. - Vol. 88(11). -Pp. 6758-6767.